簡(jiǎn)單顯微鏡的設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)單顯微鏡的設(shè)計(jì)教學(xué)目的 1 、了解顯微鏡的基本光學(xué)系統(tǒng)及放大原理，以及視覺(jué)放大率等概念;2、學(xué)會(huì)自組搭建簡(jiǎn)單顯微鏡的光路，進(jìn)一步熟悉透鏡的成像規(guī)律；3、形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作作風(fēng)。重難點(diǎn)重點(diǎn)：組裝簡(jiǎn)單顯微鏡光路的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)難點(diǎn)：1）簡(jiǎn)單顯微鏡的放大原理；2）設(shè)計(jì)光路的調(diào)節(jié)教學(xué)方法講授、討論、演示相結(jié)合 學(xué)時(shí) 3 學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介顯微鏡是最常用的助視光學(xué)儀器，且常被組合在其他光學(xué)儀器中。因此，了解并掌握它的構(gòu)造原理和調(diào)整方法，了解并掌握其放大率的概念和測(cè)量方法， 不僅有助于加 深理解透鏡的成像規(guī)律，也有助于正確使用其他光學(xué)儀器。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解顯微鏡的基本光學(xué)系統(tǒng)及放大原

2、理，以及視覺(jué)放大率等概念；2、學(xué)會(huì)按一定的原理自行組裝儀器的技能及調(diào)節(jié)光路的方法；3、學(xué)會(huì)測(cè)量顯微鏡的視覺(jué)放大率。三、實(shí)驗(yàn)原理（一）、光學(xué)儀器的視覺(jué)放大率顯微鏡被用于觀測(cè)微小的物體，望遠(yuǎn)鏡被用于觀測(cè)遠(yuǎn)處的目標(biāo)，它們的作用都是將被觀測(cè)的物體對(duì)人眼的張角（視角）加以放大。顯然，同一物體對(duì)人眼所張的視角與 物體離人眼的距離有關(guān)。在一般照明條件下，正常人的眼睛能分辨在明視距離處相距為 0.050.07mm的兩點(diǎn)。此時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)人眼所張的視角約為 1/，稱為最小分辨角。當(dāng) 微小物體（或遠(yuǎn)處物體）對(duì)人眼所張視角小于此最小分辨角時(shí)，人眼將無(wú)法分辨，因而 需借助光學(xué)儀器（如放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等）來(lái)增大物體

3、對(duì)人眼所張的視角。這是 助視光學(xué)儀器的基本工作原理，它們的放大能力可用視覺(jué)放大率-表示，其定義為(1)P _ tan w/ tan w式中，w為明視距離處物體對(duì)眼睛所張的視角，w/為通過(guò)光學(xué)儀器觀察時(shí)在明視距離處的成像對(duì)眼睛所張的視角。（二）、顯微鏡及其視覺(jué)放大率最簡(jiǎn)單的顯微鏡是由兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成的。其中，物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較 長(zhǎng)。它的光路如圖所示，圖中的L。為物鏡（焦點(diǎn)在F。和Fl）,其焦距為fo ； Le為目鏡, 其焦距為fe。將長(zhǎng)度為yi的被觀測(cè)物AB放在Lo的焦距外且接近焦點(diǎn)Fo處，物體通過(guò) 物鏡成一放大的倒立實(shí)像 A/B/（其長(zhǎng)度為y2）。此實(shí)像在目鏡的焦點(diǎn)以內(nèi)，經(jīng)過(guò)目鏡放U2

4、By3AD大，結(jié)果在明視鏡D上得到一個(gè)放大的虛像AB（其長(zhǎng)度為。虛像AB對(duì)于被觀 測(cè)物AB來(lái)說(shuō)是倒立的。顯微鏡物鏡焦點(diǎn) F/到目鏡焦點(diǎn)Fe之間的距離稱為物鏡和目 鏡的光學(xué)間隔。當(dāng)顯微鏡中能看到物體清晰圖像時(shí)， 物鏡前端面到被測(cè)物的距離叫做顯 微鏡的工作距離。為獲得清晰的圖像而調(diào)節(jié)顯微鏡與被觀測(cè)物的距離稱之為調(diào)焦。由圖可見(jiàn)，顯微鏡的視覺(jué)放大率為tanw，tanwy3 / D討3y2=yi/Dy2yi(2)式中，匹y2D-e，為目鏡的視覺(jué)放大率;U2 fe也二"0 （因Vi比f(wàn)o大得多），yi ui fo為物鏡的線放大率。因而式（2）可改寫(xiě)成由式（3）可見(jiàn)，顯微鏡的放大率等于物鏡放大率和

5、目鏡視覺(jué)放大率的乘積 、:和D已知的情形下，可利用式（3）算出顯微鏡的視覺(jué)放大率。顯微鏡通常配有一套不同放大率的物鏡和目鏡，可供選用。例如，使用20 X物鏡和5X目鏡的顯微鏡，它的視覺(jué)放大率:=20 5 =100。一般顯微鏡的放大率為幾十倍 到幾百倍。根據(jù)式（3）可知，顯微鏡的鏡筒越長(zhǎng)，物鏡和目鏡的焦距越短，放大率就越大。同時(shí)受光學(xué)底座尺寸的限制，故實(shí)驗(yàn)中所選的物鏡焦距為45mm，目鏡焦距為29mm。簡(jiǎn)單顯微鏡設(shè)計(jì)光路的裝置圖和簡(jiǎn)圖分別如圖所示。12SLoFoLe1615141324cmI/TN1211vV"1 J101小照明光源S，2干版架，3微尺M(jìn) （1/10 mm），4二維架或

6、透鏡架，5- 物鏡 Lo （ f'0=45 mm，6 二維架，7 三維調(diào)節(jié)架，8目鏡 Le （ f'e=29 mn）, 9 45°玻璃架，10升降調(diào)節(jié)座，11雙棱鏡架，12毫米尺M(jìn) （1=30 mm，13 三維平移底座，14三維平移底座，15 升降調(diào)節(jié)座，16通用底座，17白 光源（圖中未畫(huà)）SS y2四、實(shí)驗(yàn)儀器GSZ -IIB型光學(xué)平臺(tái)，小照明光源S，微尺M(jìn)i，物鏡Lo ,目鏡Le ,45°玻璃架， 毫米尺M(jìn)2，白光源，白屏，若干光學(xué)支架和底座。附1: GSZIIB型光學(xué)平臺(tái)GSZ -IIB型光學(xué)平臺(tái)是天津崗東公司根據(jù)教育部高等教育普通物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的

7、要求設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括幾何光學(xué)、物理光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)三大類。儀器結(jié)構(gòu)新穎、 靈巧。采用組合件組合進(jìn)行開(kāi)放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及實(shí)驗(yàn)技巧， 進(jìn)而提高教 學(xué)質(zhì)量，完全適用于各高等院校普通物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。GSZ-IIB型光學(xué)平臺(tái)的儀器特點(diǎn)有：采用雙層減震裝置的大面積平板工作臺(tái)；多 種通用、專用附件及各種不同焦距的透鏡、棱鏡、波片，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要任意 選擇，擺放各種實(shí)驗(yàn)；多維調(diào)整架，可達(dá)五維精密穩(wěn)定調(diào)整；儀器各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)光軸中心高度200mm；多種規(guī)格的光學(xué)組件供用戶選擇；平板工作臺(tái)采用含磁力不銹鋼材料五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容就是自組搭建簡(jiǎn)單顯微鏡光路，測(cè)量簡(jiǎn)單顯微鏡的放大率。

8、（一）光路的調(diào)整1、將各光學(xué)元件沿著光學(xué)平臺(tái)上的標(biāo)尺固定在相應(yīng)的支架上，夾好、靠攏，調(diào)同 軸等高注意：各光學(xué)元件的高度通過(guò)目測(cè)調(diào)節(jié)好后，在固定前同時(shí)應(yīng)確保各光學(xué)元件與 相應(yīng)光學(xué)底座的某一邊保持平行，便于調(diào)節(jié)光路。2、測(cè)物鏡、目鏡的焦距方法：物距像距法，如圖所示。調(diào)節(jié)白屏在光軸上的位置，直至白屏上有物S的等大實(shí)像，則焦距為物與白屏之間距離 L的14。多次測(cè)量求平均值。u=2f （f為焦距）3、按裝置圖裝配顯微鏡將物鏡Lo與目鏡Le的距離定為24cm；在Le之后放置一與光軸成45°角的平玻璃 板，距此玻璃板25cm處放置一白光源（圖中未畫(huà)出）照明的毫米尺 M2。4、微調(diào)微尺M(jìn),的位置調(diào)整

9、微尺M(jìn)!離物鏡Lo的距離，使它經(jīng)顯微鏡系統(tǒng)成的像 y3與毫米尺M(jìn) 2經(jīng)45°玻 璃板反射的像S'重合。要求反復(fù)調(diào)整，直到微尺M(jìn)!的放大像y3與毫米尺M(jìn)2反射像S'之 間沒(méi)有視差為止。（二）測(cè)量簡(jiǎn)單顯微鏡的放大率1、觀察仔細(xì)觀察微尺M(jìn)!的放大像和毫米尺M(jìn)2的反射像，同時(shí)微調(diào)毫米尺M(jìn)2的高度，讓 其反射像中的某一格對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物放大像的某一格，便于讀數(shù)。2、測(cè)量讀出微尺M(jìn)i放大像乂的格數(shù)b所對(duì)應(yīng)的毫米尺M(jìn)2反射像的格數(shù)a，需反復(fù) 測(cè)量，求平均視覺(jué)放大率。3、數(shù)據(jù)處理根據(jù)公式丨=丄衛(wèi) 計(jì)算出簡(jiǎn)單顯微鏡的視覺(jué)放大率。將 D =25cm和光學(xué)間隔aJ. = L - fe - f。（

10、 L、fe和fo前面已經(jīng)測(cè)出）代入公式: ' =-計(jì)算出簡(jiǎn)單顯微鏡的f e f o測(cè)量視覺(jué)放大率，并將計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)值作一比較，計(jì)算百分誤I差比。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)記錄表格物鏡Lo的位置為47.50cm,目鏡Le的位置為71.50cm, D = 25.00cm。1）物距像距法測(cè)焦距測(cè)物鏡Lo的焦距測(cè)目鏡Le的焦距次數(shù)物的位置（cm）像的位置（cm）fo （ cm）158.5076.604.525259.0077.104.525358.7076.804.525458.6076.604.500558.8076.804.5002）顯微鏡放大率次數(shù)物的位置（cm）像的位置（cm

11、）fe（cm）158.5070.603.025258.0070.103.025358.1070.303.050457.9069.903.000557.5069.603.025次數(shù)放大格數(shù)目a對(duì)照格數(shù)目b放大率r126.4032.00239.8032.673412.2030.504515.0130.025618.4030.672、數(shù)據(jù)處理1）簡(jiǎn)單顯微鏡視覺(jué)放大率:的計(jì)算值32.00 32.67 30.50 30.02 30.67/5= 31.172）物鏡L。、目鏡Le焦距的相對(duì)誤差4.525 4.525 4.525 4.500 4.500/5二 4.52cm物鏡Lo的焦距fo :物鏡焦距的相對(duì)誤

12、差:100%4.50 4.52| 如00% = 0.44%4.50目鏡Le的焦距fe :3.025 3.025 3.050 3.000 3.025/5二 3.03cm目鏡焦距的相對(duì)誤差:Ef100%3100% =4.48%2.903）簡(jiǎn)單顯微鏡視覺(jué)放大率-的測(cè)量值物鏡Lo與目鏡Le之間的距離L =71.50 - 47.50 =24.00cm則光學(xué)間隔 ' 為：' 二 L - f。- fe =24.00-4.50 - 2.90 = 16.60cm根據(jù)公式= Dfe25.00 .16.602.904.504）簡(jiǎn)單顯微鏡視覺(jué)放大率-的測(cè)量相對(duì)偏差31.8031.8031.17 漢 1

13、00% =1.98%七、注意事項(xiàng)1、所有光學(xué)玻璃器件應(yīng)保持清潔，避免各種污染，使用時(shí)注意防塵、防震；機(jī)械 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)部位可酌加少量潤(rùn)滑油； 平臺(tái)上宜涂擦極薄的一層機(jī)油，以利保護(hù)表 面；不要對(duì)著儀器說(shuō)話、咳嗽等；測(cè)量時(shí)動(dòng)作要輕、緩，盡量使身體部位離開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面， 以防震動(dòng)；所用的光學(xué)元件比較精密，不能觸摸光學(xué)元件光學(xué)表面。2、所有光學(xué)元件固定在光學(xué)支架上時(shí)，光學(xué)元件位置要放正，固定螺絲不要旋得 過(guò)緊，以防鏡片受壓變形和損壞。實(shí)驗(yàn)完畢，應(yīng)將所有光學(xué)元件取下，按順序放回光學(xué) 附件盒中。3、溴鎢燈長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)熱，并且光強(qiáng)過(guò)高，因此在調(diào)節(jié)光路過(guò)程中注意不要讓 頭部靠的過(guò)近，眼睛不要直視發(fā)光出射口。

14、4、實(shí)驗(yàn)完成后，不可調(diào)動(dòng)儀器，要等老師檢查完數(shù)據(jù)并認(rèn)可后才能關(guān)掉光源和電 源。同時(shí)應(yīng)把各光學(xué)元件按順序擺放好，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。八、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)要點(diǎn)1、簡(jiǎn)要說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)的作用。2 、簡(jiǎn)要介紹本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)計(jì)思路，主要包括：1）進(jìn)一步熟悉透鏡的成像規(guī)律，選擇合適的透鏡搭建光路；2）為了測(cè)量簡(jiǎn)單顯微鏡的視覺(jué)放大率，在光路中利用 45°玻璃板增加一條光路3、光學(xué)元件使用說(shuō)明1）溴鎢燈的結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng)；2 ）光學(xué)元件的固定、光學(xué)支架和底座的使用及注意事項(xiàng)。4 、光路的調(diào)節(jié)及簡(jiǎn)單顯微鏡視覺(jué)放大率的測(cè)量1 ）講解和演示操作步驟2 ）分析說(shuō)明容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，如：調(diào)不出放大像：主要是物鏡和目鏡的焦距

15、弄反了、光學(xué)元件沒(méi)有同軸等高、微尺 的位置沒(méi)有調(diào)節(jié)好；錯(cuò)讀數(shù)據(jù)：主要是因?yàn)?45°玻璃板的反射像比較模糊，容易使讀數(shù)誤差過(guò)大5 、強(qiáng)調(diào)處理數(shù)據(jù)：計(jì)算簡(jiǎn)單顯微鏡視覺(jué)放大率的理論值，與計(jì)算值作誤差分析。附錄1、實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1 、按規(guī)定完成預(yù)習(xí)任務(wù)。（5分）2、 測(cè)量原理清楚、激光器連線、使用正確。（10分）3、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、準(zhǔn)確。（15分）4、干涉條紋質(zhì)量高。（20分）5、測(cè)量數(shù)據(jù)合理、記錄科學(xué)。（35分）6、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（10分）7、 儀器收拾整齊，儀器使用記錄填寫(xiě)完整。（5分）附錄2、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1、 實(shí)驗(yàn)名稱、目的、儀器、原理的表述是否完整、合理。（15分）2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟的描述是否清晰、完整、正確。（15分）3、數(shù)據(jù)記錄是否完整、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理是否正確、清楚、詳盡，誤差是否在允 許范圍內(nèi)。（40分）4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析是否正確、合理，有無(wú)改進(jìn)建議。（10分）5、完成老師指定的思考題。（10分）6、文字、圖和