(临床医学)大学物理实验 光学仪器的设计
大学物理实验光学仪器的设计
李振声 物理教研室
显微镜——为人类打 开了“近在眼前”的微小世 界的大门
望远镜——则帮助人类揭 示了“远在天边”的星球世 界的奥秘
实验目的
重点 学会透镜焦距的测量方法。
掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方
法
难点
应用提供的透镜、光具座及基本的测试工 具，设计并组装望远镜、显微镜
一个倒立放大的实像I1。 （6）再经大焦距的目镜后在大于明视距离外成一放大的虚
像I2供眼睛观察。
注意共轴调节
四、望远镜角放大率的测量方法
物像共轭法测量
物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。
在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏。
将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方， 在光屏上成一缩小的像y3，并量之。
2、折反射望远镜 。在球面反射镜的基础上，再 加入用于校正像差的折射元件 ,以消除球面差。
施 密 特 望 远 镜
1931年美国施密特发明
马 克 苏 托 望 远 镜
1940年苏联光学家马克苏托发明
3、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。
意大利物理学家伽 利略1609年发明望 远镜
德国天文学家 开普勒
2、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理
首先确定物象间的距离D>4f。
如果透镜在这个距离之间能有 两个成像（一个放大的，另一
个缩小的），且两次透镜位置
间的距离为d，则
D2 d2 f
4D
3、物距像距法测量焦距（高斯公式法）
1 1 1 移动像屏得到一个清 f u v 晰的与物相似的倒立
（1）物镜的焦距大于目镜的焦距。 （2）物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。 （3）物体经大焦距的物镜后在焦平面上成缩小的实像。(物
物理光学实验课程设计
物理光学实验课程设计一、教学目标本课程旨在通过物理光学实验的学习，使学生掌握物理光学的基本概念、原理和方法，培养学生的实验技能和科学思维能力。
具体目标如下：1.了解光的干涉、衍射和偏振等基本现象及其物理原理。
2.掌握物理光学实验的基本方法和技巧。
3.熟悉实验仪器的使用和维护。
4.能够独立完成物理光学实验，并正确分析实验结果。
5.能够运用物理光学原理解决实际问题。
6.具备良好的实验报告撰写能力。
情感态度价值观目标：1.培养对物理光学的兴趣和好奇心，激发探索科学的热情。
2.培养严谨的科学态度和团队合作精神。
3.增强学生的实践能力和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括光的干涉、衍射和偏振等基本现象的实验。
具体安排如下：1.光的干涉实验：包括双缝干涉、单缝衍射等实验，让学生了解干涉现象的产生原理和特点。
2.光的衍射实验：包括圆孔衍射、狭缝衍射等实验，让学生掌握衍射现象的产生条件和影响因素。
3.光的偏振实验：包括起偏器、检偏器等实验，使学生了解偏振现象的产生和检测方法。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法相结合的方式。
具体方法如下：1.讲授法：通过讲解实验原理和现象，使学生掌握物理光学的基本知识。
2.实验法：让学生亲自动手进行实验，培养实验操作能力和观察分析能力。
3.讨论法：在实验过程中，引导学生进行思考和讨论，培养科学思维能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本课程将准备以下教学资源：1.教材：选用《物理光学实验》教材，为学生提供系统的学习资料。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，拓展学生的知识视野。
3.多媒体资料：制作实验演示视频、动画等多媒体资料，帮助学生更好地理解实验现象。
4.实验设备：准备各种物理光学实验所需的仪器设备，保证学生能够顺利进行实验操作。
五、教学评估本课程的教学评估将采用多元化的评估方式，以全面、客观地评价学生的学习成果。
具体评估方式如下：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与度、提问回答和小组讨论等情况，评估学生的学习态度和积极性。
光学仪器实验设计 - 构建和使用常见的光学仪器和设备
根据可视化结果，对实验现象进行深入讨论。分析实验条件对结果的影响，以及可能存在 的误差来源。通过与理论预测或先前研究结果的比较，验证实验结果的可靠性和准确性。
结论与展望
总结实验结果，指出研究的意义和价值。同时，提出改进实验设计或进一步研究的建议， 以促进光学仪器和实验技术的发展。
05
光学仪器使用注意事项及维护保养策
说明如何操作分光计进行光谱分析，包括光源选 择、波长校准、数据处理等步骤。
干涉仪
干涉仪类型
介绍迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等不同类型的干涉仪及 其应用领域。
干涉仪结构
解释干涉仪的主要组成部分，如激光源、分束器、反射镜、探测器 等。
使用方法
指导如何操作干涉仪进行光学测量，包括系统搭建、光路调整、数 据采集与处理等步骤。
望远镜结构
解释望远镜的主要组成部 分，如物镜、目镜、镜筒 、支架等。
使用方法
指导如何正确使用望远镜 进行天文观测，包括安装 、校准、观测技巧等。
分光计
分光计类型
介绍棱镜分光计、光栅分光计等不同类型的分光 计及其工作原理。
分光计结构
详细解释分光计的主要组成部分，如入射狭缝、 色散元件、出射狭缝等。
使用方法
境因素的控制。
04
光学实验数据处理与分析方法
数据采集与整理
数据采集
使用高精度测量设备，如光谱仪、干 涉仪等，获取实验数据。确保采集过 程中环境稳定，避免外部干扰。
数据整理
对采集到的数据进行分类、筛选和归 档。去除异常数据，保留有效数据， 以便后续处理和分析。
数据处理技巧和方法
数据预处理
对数据进行平滑处理，消除噪声和误差。可采用移动平均、滤波等 方法。
光学仪器的原理与设计
光学仪器的原理与设计光学仪器是利用光的传播和相互作用的原理，用于观测、测量和分析物体的工具。
它们在科学研究、医学诊断、工业制造等领域发挥着重要作用。
本文将介绍光学仪器的原理和设计，以及一些典型的光学仪器。
一、光的传播与相互作用原理光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光学仪器中，光的传播和相互作用是其基本原理。
光的传播可以通过折射、反射和散射等现象实现。
折射是光从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象，而反射是光从界面上的介质返回原来的介质的现象。
散射是光在物质中遇到不均匀性时改变传播方向的现象。
光的相互作用包括吸收、发射和干涉等现象。
吸收是光能量被物质吸收并转化为其他形式能量的过程。
发射是物质向外辐射光能的过程。
干涉是两束或多束光相互干涉形成干涉条纹的现象，利用干涉现象可以实现测量和分析。
二、光学仪器的设计原则光学仪器的设计需要考虑光的传播和相互作用原理，以及实际应用的需求。
设计光学仪器时需要考虑以下几个方面的原则。
首先，光学仪器的设计需要考虑光的传播路径。
光的传播路径应尽量简洁，以减少光的损失和干扰。
例如，光学显微镜的设计中，要尽量减少透镜和物镜之间的光损失，以提高成像质量。
其次，光学仪器的设计需要考虑光的聚焦和分光。
聚焦是将光束集中到一个点或一个小区域的过程，而分光是将光束按照不同波长或不同方向进行分离的过程。
例如，分光光度计的设计中，要通过光栅或棱镜将光束按照不同波长进行分离，以进行光谱分析。
最后，光学仪器的设计需要考虑光的检测和信号处理。
光的检测是将光能转化为电信号的过程，而信号处理是对电信号进行放大、滤波和数字化等处理的过程。
例如，光电倍增管和光电二极管等光检测器可以将光能转化为电信号，然后通过放大器和滤波器对信号进行处理。
三、光学仪器的应用光学仪器在科学研究、医学诊断和工业制造等领域有着广泛的应用。
以下是一些典型的光学仪器。
首先，显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器。
它利用透镜或物镜将物体放大，使人眼能够清晰地观察到微小细节。
大学物理实验中的光学仪器与干涉现象
大学物理实验中的光学仪器与干涉现象【正文】大学物理实验中的光学仪器与干涉现象光学仪器是大学物理实验中不可或缺的一部分。
它们通过利用光的性质和现象，帮助我们观察和研究光的行为。
其中，干涉现象是一种重要的光学现象，对光学仪器的设计和使用起到了关键的作用。
本文将介绍大学物理实验中常用的光学仪器以及干涉现象的原理和应用。
一、光学仪器1.透镜透镜是一种能够使光线发生折射的光学元件。
它常用于聚焦和成像。
在大学物理实验中，透镜被广泛应用于光学成像和光学仪器的设计中。
透镜主要分为凸透镜和凹透镜两种类型。
凸透镜能够将光线聚焦到一点，而凹透镜则使光线发散。
2.棱镜棱镜是一种光学仪器，可以将光线按不同波长折射成不同的角度。
这是由于不同波长的光在物质中的折射率不同导致的。
在大学物理实验中，棱镜常用于分光和光谱的研究。
通过将光线分解成不同的波长，我们可以研究光的性质和组成。
3.干涉仪干涉仪是一种用于研究干涉现象的光学仪器。
它由两个或多个光波相干的光源和一个用于观察干涉现象的探测器组成。
通过干涉仪，我们可以观察到光的干涉和波动性质。
干涉仪的设计和使用非常复杂，但是它在科研和实验中有着广泛的应用。
二、干涉现象干涉现象是指两个或多个波相交产生的光的相互作用。
它产生的结果是光的增强或减弱，这取决于光波的相位差。
常见的干涉现象包括光的干涉条纹和干涉色彩等。
1.杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉是一种经典的干涉现象。
当一束平行光通过两个互相靠近的缝隙时，光线将发生干涉。
产生的干涉条纹可以帮助我们研究光的波动性质。
2.薄膜干涉薄膜干涉是指光通过透明薄膜时产生的干涉现象。
这是因为光在不同介质中的折射率不同，导致光波的相位发生变化。
薄膜干涉现象常见于油膜、附着在玻璃表面上的氧化膜等实验中。
3.牛顿环牛顿环是一种由透镜和玻璃片等光学元件产生的干涉现象。
当通过透镜的平行光与玻璃片表面产生反射和折射时，会形成一系列明暗相间的圆环。
这些圆环称为牛顿环，通过测量它们的直径和距离，我们可以计算出透镜和玻璃片的曲率和折射率。
物理光学实验设计
物理光学实验设计导语：物理光学实验是一门基础学科，通过实验可以直观地观察和研究光的性质和行为。
本教案将设计一系列物理光学实验，旨在帮助学生深入理解光的传播、反射、折射、干涉和衍射等相关概念，培养学生动手实践的能力，并提升学生的科学思维和实验操作技巧。
实验一：透镜成像实验目的：观察透镜的成像特性，探究物体与透镜之间的关系。
实验器材：透镜、物体、光源、屏幕实验步骤：1. 将透镜与光源、屏幕等放置在实验室桌上，确保实验器材稳定。
2. 调整光源的位置，使光线射向透镜上的物体。
3. 观察屏幕上的成像情况，并测量物体与透镜的距离、物像距离和放大倍数等数据。
4. 分析成像结果，总结透镜的成像规律。
实验要点：1. 透镜的凸凹面向物体的条件。
2. 物体与透镜的距离对成像结果的影响。
3. 透镜的放大倍数与物像距离的关系。
实验二：光栅衍射实验目的：研究光栅的衍射现象，观察不同光栅参数对衍射图样的影响。
实验器材：光栅、光源、屏幕实验步骤：1. 将光源、光栅和屏幕等放置在实验室桌上，确保实验器材稳定。
2. 调整光源的位置和屏幕的距离，使光线正好通过光栅，并在屏幕上形成衍射图样。
3. 更换不同参数的光栅，如光栅间距、光栅宽度等，重复步骤2。
4. 观察不同光栅参数下的衍射图样，比较它们的差异。
实验要点：1. 光栅的参数对衍射图样的影响。
2. 衍射图样与光栅参数之间的定量关系。
实验三：光的偏振实验目的：观察偏振光的现象，了解光的振动方向与偏振片的关系。
实验器材：偏振光源、偏振片、偏振分析器、屏幕实验步骤：1. 将偏振光源、偏振片、偏振分析器和屏幕等放置在实验室桌上，确保实验器材稳定。
2. 调整偏振光源的位置和偏振片的方向，使光线通过偏振片和偏振分析器，并在屏幕上显示出来。
3. 旋转偏振分析器，观察屏幕上的光强变化。
4. 总结光的振动方向与偏振片的关系。
实验要点：1. 偏振片对光的影响。
2. 光的振动方向与偏振片的关系。
实验四：干涉实验目的：观察干涉现象，研究不同干涉光束的干涉图样。
大学物理实验分光计实验报告
分光计法测光栅常数3.7 分光计的调节及光栅常数的测定分光计又称光学测角仪，是一种分光测角光学实验仪器。
它常用来测量折射率、色散率、光波波长、光栅常数和观测光谱等。
分光计是一种具有代表性的基本光学仪器，学好分光计的调整和使用，可为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。
3.7.1 分光计的调节【实验目的】了解分光计的结构和基本原理，学习调整和使用方法。
【分光计的结构和原理】分光计主要由五个部分构成：底座、平行光管、自准直望远镜、载物台和读数装置。
不同型号分光计的光学原理基本相同。
JJY 型分光计如图3-7-1所示。
图3-7-1 JJY 型分光计12357648916101218(back)1711 1514131920 2122231．狭缝装置2．狭缝装置锁紧螺钉3．平行光管4．元件夹5．望远镜6．目镜锁紧螺钉7．阿贝式自准直目镜8．狭缝宽度调节旋钮9．平行光管光轴高低调节螺钉10．平行光管光轴水平调节螺钉11．游标盘止动螺钉12．游标盘微调螺钉13．载物台调平螺钉（3只）14．度盘15．游标盘16．度盘止动螺钉17．底座18．望远镜止动螺钉19．载物台止动螺钉20．望远镜微调螺钉21．望远镜光轴水平调节螺钉22．望远镜光轴高低调节螺钉23．目镜视度调节手轮1．底座分光计底座（17）中心固定有一中心轴，望远镜、度盘和游标盘套在中心轴上，可绕中心轴旋转。
2．平行光管平行光管安装在固定立柱上，它的作用是产生平行光。
平行光管由狭缝和透镜组成，如图3-7-2。
狭缝宽度可调（范围0.02~2mm），透镜与狭缝间距可以通过伸缩狭缝筒进行调节。
当狭缝位于透镜焦平面上时，由狭缝经过透镜出射的光为平行光。
图3-7-2 平行光管3．自准直望远镜阿贝式自准直望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起并套装在度盘上。
它用来观察和确定光线行进方向。
自准直望远镜由物镜、目镜、分划板等组成（如图3-7-3），三者间距可调。
其中，分划板上刻有“”形叉丝；分划板下方与一块45º全反射小棱镜的直角面相贴，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上划有一个“十”形透光的窗口，当小电珠光从管侧经另一直角面入射到棱镜上，即照亮“十”字窗口。
大学物理教案：光学与光学仪器实验
大学物理教案：光学与光学仪器实验引言大学物理是一门重要的基础课程，它在培养学生科学思维、观察力、实验能力以及解决问题的能力方面起着关键作用。
其中，光学是大学物理的一部分，它研究光的传播和光与物质之间的相互作用。
在光学实验中，学生可以通过观察和实际操作，深入理解光的性质和原理，并掌握一些常用的光学仪器的使用方法。
光学基础知识H1: 什么是光学？光学是研究光传播和光与物质的相互作用的学科。
它探讨光的性质、光的传播规律以及光与物质之间的相互作用过程。
光学在现代科学和技术领域有着广泛的应用，例如光纤通信、激光技术、光学显微镜等。
H1: 光的性质光是一种电磁波，它有一些与其他波动现象相似的性质。
一些重要的光的性质包括：光的波动性、光的粒子性、光的速度、光的衍射和干涉等。
•光的波动性：光具有波的性质，它可以通过传播速度、频率、波长来描述。
•光的粒子性：光也具有粒子的性质，这种粒子叫作光子。
光的粒子性可以解释光在物质中的能量传递过程。
•光的速度：光在真空中的速度是恒定的，约为每秒 30 万公里。
•光的衍射：当光通过一个孔或一个狭缝时，会发生衍射现象，即光的波动性表现出来。
•光的干涉：当两束光交叠时，它们的波动性会产生干涉现象。
干涉实验是理解光的波动性的重要实验之一。
H1: 光的传播与折射光的传播和折射是光学中的重要概念。
当光通过透明介质时，它会发生折射现象，即光线的传播方向会发生改变。
折射现象可以通过斯涅尔定律进行定量描述。
•斯涅尔定律：斯涅尔定律描述了光线在界面上折射的规律。
它可以表达为：入射角的正弦比例等于折射角的正弦比例与两种介质的折射率的比值。
光的折射现象在日常生活中经常出现，例如光线从水中射出时会发生折射，造成所看到的物体位置偏移的现象。
光学仪器实验在光学仪器实验中，我们将使用一些常见的光学仪器来观察和测量光的性质和现象。
以下是一些常用的光学仪器及其实验方法。
H2: 光栅实验光栅是一种具有周期性结构的光学元件，它可以分析和分离出光的不同波长成分。
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④计算望远镜的角放大率。
M
tan tan
y / f2 y / f1
fo fe
y1 / y3
注意共轴调节
五、显微镜的调节和角放大率的测量
(物像共面法测量计算)
（1）显微测微尺（分度值为0.01mm或 0.05mm）安放在距物镜略大于焦距处
（2）调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观
2、折反射望远镜 。在球面反射镜的基础上，再 加入用于校正像差的折射元件 ,以消除球面差。
施 密 特 望 远 镜
1931年美国施密特发明
马 克 苏 托 望 远 镜
1940年苏联光学家马克苏托发明
3、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。
意大利物理学家伽 利略1609年发明望 远镜
德国天文学家 开普勒
2、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理
首先确定物象间的距离D>4f。
如果透镜在这个距离之间能有 两个成像（一个放大的，另一
个缩小的），且两次透镜位置
间的距离为d，则
D2 d2 f
4D
3、物距像距法测量焦距（高斯公式法）
1 1 1 移动像屏得到一个清 f u v 晰的与物相似的倒立
1611年发明望远 镜。
伽利略望远镜——由凹透镜当目镜。
优点：观察的是正立的像，结构简单、轻便，光能损失少，镜筒短， 成正立虚像。
缺点：放大倍数小，观察视野窄，倾角大的光线不能进入眼睛，无
中间像，不好装叉丝或分划板。
f1' 0 , f2' 0
总的视角放大率:
M U' f1' f1'
像
二、望远镜的组装
光学望远镜的分类：
反射式望远镜 折反射望远镜 折射式望远镜
1、反射望远镜：用凹面反射镜作物镜的望远镜 。 主要优点是不存在色差 。
牛
卡
顿
塞
格
望
林
远
望
镜
远
镜
牛顿用2.5cm直径的金属，磨制成一
块凹面反射镜，并在主镜的焦点前 面放置了一个与主镜成45度角的反 射镜
1672年卡塞格林所发明。 由两块反射镜组成的一种 反射望远镜，
M
l f0
25 cm fe
物镜的放大率
目镜的放大率
光学筒长 l FoFe
2、显微镜的设计要点
注意共轴调节
（1）显微镜的fo<fe。 （2）目镜和物镜之间的距离比fo , fe大得多。 （3）分划板位于物镜像方焦平面上。 （4）物体位于物镜（objective）物方焦点前附近。 （5）物体经物镜后，在目镜（eyepiece）的物方焦面内侧成
一个倒立放大的实像I1。 （6）再经大焦距的目镜后在大于明视距离外成一放大的虚
像I2供眼睛观察。
注意共轴调节
四、望远镜角放大率的测量方法
物像共轭法测量
物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。
在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏。
将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方， 在光屏上成一缩小的像y3，并量之。
察到。
微尺像在直尺上的示数
M
微尺的大小
显微测微尺
（3）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将 其置于距目镜25cm处（明视距离）
（4）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在 直尺上且没有视差，
（5）读出测微尺的像落在直尺上（重合区段 内）相对应的长度，即可得到显微镜的放大率
六、实验数据记录
NO. 微尺格数×0.01（或×0.05） mm
1 2 3 4 5
微尺像在直尺上的格数×1mm Mi
七、数据处理
望远镜的角放大率测量值 望远镜角放大率理论值
物的大小 M 像的大小
M0
tan tan
fo fe
望远镜角放大率的测量结果 M M S
表1 用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据(单位：mm)
NO.
透镜1
透镜2
u
v
f1
u
v
f2
1
2
3
4
5
f1 s
f2 s
表2 共轭法测望远镜视角放大率的数据 （单位：mm，fo= fe=）
测量次数
物的大小
像的大小
Mi
1
2
3
4
5
备注：mi
物的大小 像的大小
表3 显微镜视角放大率测量数据(f0=1.6cm fe=2.5cm，光学筒长 l=16cm 目镜放大率10×，物镜放大率10×)
（1）物镜的焦距大于目镜的焦距。 （2）物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。 （3）物体经大焦距的物镜后在焦平面上成缩小的实像。(物
镜的作用是将远处的物体聚焦在目镜物方的焦平面上） （4）小焦距的目镜将物镜所成的实像放大到无穷远处。
（目镜起放大镜的作用，将目镜物方焦平面上的倒立实像 放大为一虚像）
三、显微镜的组装
实验题目：光学仪器设计 实验性质：设计性实验
李振声 物理教研室
显微镜——为人类打 开了“近在眼前”的微小世 界的大门
望远镜——则帮助人类揭 示了“远在天边”的星球世 界的奥秘
实验目的
重点 学会透镜焦距的测量方法。
掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方
法
难点
应用提供的透镜、光具座及基本的测试工 具，设计并组装望远镜、显微镜
激光共聚焦显微镜 原子力显微镜
普通光学微镜
荧光倒置显微镜
扫描显微镜
相差显微镜
荧光正置显微镜
微分干涉差显微镜
偏光显微镜
电子显微镜
暗视野显微镜
手术用显微镜 扫描电子显微镜
透射电子显微镜
显微镜的设计
1、显微镜的光学原理图和视角放大率M=βMe
靠近焦点
光学镜筒长
明视距离
Fo<Fe Fo、Fe＜＜25cm
实验仪器
光具座，凸透镜2个（作望远镜用），物屏1个、 光屏1个，光源1套，透镜夹2个，卷尺1个，干板夹 1个，游标卡尺1把，过渡架1个，有机玻璃直尺1把， 显微测微尺1个，显微镜目镜1个，显微镜物镜1个 等。
注意共轴调节
一、预备知识 凸透镜焦距的测量方法
1、自准直法 （平面镜法）
当物距等于透镜的焦距时， 物体任一点发出的光经过 透镜折射后成为平行光， 经平面镜反射，会聚光线 在透镜的焦平面上成一个 与原物大小相等的倒立实 像。
U f2
f2'
用途： 看戏剧 玩具望远镜
开普勒望远镜——凸透镜当目镜。成像上下 左右颠倒。（需要在物镜后面添加棱镜组或 透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像 ）
1612年发明
焦点重合
德国天文学家
Johannes Kepler， 1571-1630
m fo y fe y`
注意共轴调节
4、开普勒望远镜的设计要点