望遠鏡和顯微鏡實驗報告

[清華大學物理實驗][BME8鮑小凡][學號：2008013215]望遠鏡和顯微鏡實驗報告BME8鮑小凡2008013215【實驗目的】（1）了解望遠鏡和顯微鏡的構造及其放大原理，并掌握其使用方法；（2）了解放大率等的概念并掌握其測量方法；（3）進一步熟悉透鏡成像規(guī)律?！緦嶒炘怼恳弧⑼h鏡1、望遠鏡的基本光學系統(tǒng)無窮遠處物體發(fā)出的光經物鏡后在物鏡焦平面上成一倒立縮小的實像，再利用目鏡將此實像成像于無窮遠處，使視角增大，利于人眼觀察。圖1望遠鏡的基本光學系統(tǒng)使用望遠鏡時，應先調目鏡，看清分劃板，再調鏡筒長度。使被觀察物清晰可見并與分劃板叉絲無視差（中間像落在分劃板平面上）。2、望遠鏡的視放大率。記目視光學儀器所成的像對人眼的張角為ω’，物體直接對人眼的張角為ω，則視放大率：由幾何光路可知：因此，望遠鏡的視放大率：實際測量望遠鏡無焦系統(tǒng)的視放大率時，利用圖二所示的光路圖。當物y較近時，即物距：時，物鏡所成的像會位于Oe右側（實像）或左側（虛像），經目鏡后，即成縮小的實像y’’，于是視放大率：圖2測望遠鏡的視放大率圖3、物像共面時的視放大率。當望遠鏡的被觀測物位于有限遠時，望遠鏡的視放大率可以通過移動目鏡把像y’’推遠到與物y在一個平面上來測量。如圖三。此時：于是可以得到望遠鏡物像共面時的視放大率：可見，當物距L1大于20倍物鏡焦距時，它和無窮遠時的視放大率差別很小。圖3測望遠鏡物象共面時的視放大率二、顯微鏡1、顯微鏡的基本光學系統(tǒng)顯微鏡的物鏡、目鏡都是會聚透鏡，位于物鏡物方焦點外側附近的微小物體經物鏡放大后先成一放大的實像，此實像再經目鏡成像于無窮遠處，這兩次放大都使得視角增大。為了適于觀察近處的物體，顯微鏡的焦距都很短。圖4顯微鏡基本光學系統(tǒng)使用時需先進行視度調節(jié)使分劃板叉絲的像位于人眼明視距離處，再調焦使被觀察物清晰可見并與分劃板叉絲的像無視差。2、顯微鏡的視放大率。顯微鏡的視放大率定義為像對人眼的張角的正切和物在明視距離D=250㎜處時直接對人眼的張角的正切之比。于是由三角關系得：其中，為物鏡的線放大率，為目鏡的視放大率。從上式可看出，顯微鏡的物鏡、目鏡焦距越短，光學間隔越大，顯微鏡的放大倍數(shù)越大。圖5顯微鏡成像于有限遠時的光路圖當顯微鏡成虛像于距目鏡為l’’的位置上，而人眼在目鏡后焦點處觀察時（如圖五），顯微鏡的視放大率為：中間像并不在目鏡的物方焦平面上，。這時視放大率的測量可通過一個與主光軸成45度的半透半反鏡把一帶小燈的標尺成虛像至顯微鏡的像平面，直接比較測量像長y’’，即可得出視放大率：3、測量顯微鏡它由線放大率β0為固定值的物鏡和測微目鏡組成。使用時調整測量顯微鏡位置使得成像在叉絲平面上，則像的實際大小為測微目鏡測量值除以β0?！緦嶒瀮x器】望遠鏡實驗：物鏡1件，目鏡1件，測量顯微鏡1件（物鏡線放大率），豎直標尺1件（分格值5.0mm），導軌1臺，滑塊若干，像屏1件。顯微鏡實驗：物鏡1件，目鏡1件，半透半反鏡1件，玻璃標尺1件（分格值0.20mm），帶小燈毫米標尺1件，木尺1把，導軌1臺，滑塊若干?！緦嶒炄蝿铡恳弧⑼h鏡實驗自己組裝望遠鏡。并測量其視放大率。測量物距為離望遠鏡物鏡65.00cm且物像共面時的視放大率。實驗中用日光燈照亮豎直標尺作為望遠鏡的“物”，并作共軸調節(jié)，使物標尺上的十字焦點與透鏡，共軸，且該軸與光具座導軌平行。（1）望遠鏡無焦系統(tǒng)的視放大率即，焦點重合時的視放大率。透鏡間距=，用測量顯微鏡測出豎直標尺上3小格（15.0mm）經望遠鏡所成像的大小。重復測量3次，取平均值，計算視放大率，比較實驗值與理論值，計算相對偏差。（2）測量物距為離望遠鏡物鏡65.00cm且物像共面時的視放大率。移動目鏡，使從目鏡中能看到豎直標尺的像，一眼從外直接觀察豎直標尺，另一眼看標尺的像，一邊輕輕晃動眼睛，一邊緩慢移動目鏡位置，使標尺與其像之間基本沒有視差。測出與標尺像上n格所對應的標尺上的m格，最后求出視放大率的平均值，并比較實驗值與計算值，計算相對偏差。二、顯微鏡實驗自己設計組裝一臺觀察點位于目鏡后焦點、成像于人眼明視距離D=250mm處、視放大率為20倍的顯微鏡。并實際測量該顯微鏡的視放大率。（1）設計、計算物鏡與目鏡間距。求出中間像距物鏡、目鏡的間距，，可得出。（2）按計算值在光具座上安裝好一臺顯微鏡，以綠色帶小燈的玻璃標尺作物，調節(jié)物距，通過目鏡看清楚此綠色標尺的像。測量視放大率時可參照圖6裝配儀器。使通過P同時看到的毫米標尺AB的像和玻璃標尺像間消視差。若綠色玻璃標尺上n格與毫米標尺的m分格等大，則：其中t為毫米標尺的分格值，t=1.0mm，為玻璃標尺的分格值，=0.20mm。共需測量三次，求平均視放大率，并與設計值比較，計算相對偏差。圖6測顯微鏡視放大率的儀器裝配圖【數(shù)據(jù)處理和誤差分析】1、標定測量顯微鏡：用綠色刻尺（每格0.20mm）作為標準標定測量顯微鏡，測量顯微鏡編號13標準物y=2mm（10格），像y’=1.85mm，顯微鏡物鏡放大率β0=0.9252、望遠鏡實驗物鏡編號10，物鏡焦距fo’=15.44cm，目鏡編號04，目鏡焦距fe’=3.14cm。物屏位置55.00cm，物鏡位置Lo=120.00cm，目鏡位置Le=140.50cm，測量顯微鏡位置=149.55cm。測量序號123E字上端線位置d1(mm)5.3205.4145.344E字下端線位置d2(mm)2.5442.5502.586像高y’’=(d1-d2)/βo(mm)2.7762.8642.758先做共軸調節(jié)，用日光燈照亮豎直標尺作為望遠鏡的“物”，使物標尺上的十字交點與透鏡Lo、Le共軸，且該軸與光具座的導軌平行。通過測無焦系統(tǒng)的橫向放大率來測望遠鏡的放大率（L1=65cm）使透鏡間距為fo’+fe’，用測量顯微鏡測出豎直標尺上“E”字高經望遠鏡后所成像的大小y’’，重復測量三次取平均值，計算出視放大率，并比較實驗值與理論值，計算相對偏差。y''=2.799mm，E字高y=12.70mm，實驗值ΓT=yy=4.537，理論值=4.917。實驗值與理論值相對偏差=__7.728%__。實驗時認為β0理論推導：考慮β0=0.925。理論值：3、望遠鏡物像共面時的視放大率原始數(shù)據(jù)如下：測量序號123物格數(shù)m111像格數(shù)n8.27.88.3Γ8.27.88.3視放大率=的推導：（光路圖如下）計算：由幾何關系得到；（為與的距離）故即實驗值與理論值相對偏差3、顯微鏡實驗（1）利用所提供條件及物鏡目鏡焦距設計、計算物鏡與目鏡間距l(xiāng)物鏡編號11，fo’=4.83cm，目鏡編號04，fe’=3.14cm=16.96cm=2.74cm則l=qo+pe=19.70cm（2）物桿位置112.55cm，物鏡位置Lo=120.00cm，目鏡Le=139.70cm，半透半反鏡位置=145.80cm，則半透半反鏡與目鏡間距s=6.10cm，目鏡與物的距離l’’=D-fe’=21.86cm，則標尺位置X=s+l’’=27.69cmτ=0.2mm,t=1.0mm測量序號123比照標尺格數(shù)m81215帶小燈的標尺格數(shù)n234ΓM=mt/nτ20201919.7,測量值與理論值相對偏差=1.5%誤差分析本實驗中可能造成誤差的原因有：（1）讀數(shù)時的誤差。由于光學實驗容易使眼睛產生疲勞，而且比如測物像共面的視放大率時需要兩眼分別觀察望遠鏡內、外，讀數(shù)比較困難，因此讀數(shù)誤差應該是實驗中的主要誤差。（2）儀器誤差。比如標尺的分度值是0.5cm，限制了讀數(shù)的準確性。（3）利用計算近似結果組裝顯微鏡會造成誤差。（4）目鏡的共軸調節(jié)只采取了粗調會造成誤差?！舅伎碱}解答】1、用同一臺望遠鏡觀測不同距離的物體時，其視放大率是否改變？答：由前面分析可知，對于無焦系統(tǒng)，改變物距，視放大率不變。物像共面時的視放大率，，物距增大，視放大率減?。晃锞鄿p小，視放大率增大。這從前面相應光路圖中也能看出。2、本實驗中使用的測量顯微鏡物鏡的線放大率為1.000倍，目鏡的視放大率約為10倍，用它測量像高的大小時，為什么顯微鏡目鏡的放大倍數(shù)不用考慮？答：因為視放大鏡內的主尺也被放大了同樣的倍數(shù)，即通過該目鏡測得的的刻度與實際測得的刻度數(shù)（實際標尺）相同，故微鏡目鏡的放大倍數(shù)不用考慮。3、如何利用平行光管將望遠鏡調焦到無窮遠，使物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點重合（假定目鏡、物鏡的焦距未知或欠準）？答：先將平行光管置于物鏡左側，右側放一接收屏P，調節(jié)P的位置，使其上出現(xiàn)一個亮點，記下P位置，該處即為。固定接受屏P，在P右側放置目鏡，右側放置平行光管，調節(jié)位置，使P上出現(xiàn)一個亮點，則此時和重合，即和組成無焦系統(tǒng)。4、望遠鏡和顯微鏡結構和使用上有哪些相同點和不同點？答：結構上：相同點：顯微鏡和望遠鏡都是用凸透鏡做目鏡。（顯微鏡和開普勒望遠鏡都是用凸透鏡做物鏡。）顯微鏡和望遠鏡的物鏡都成實像，相對目鏡的距離小于目鏡的焦距，經目鏡成正立放大的虛像。不同點：顯微鏡物鏡的焦距很短，目鏡焦距要比物鏡焦距稍長，兩鏡間距離可調節(jié)，望遠鏡物鏡焦距較長，目鏡焦距較短。顯微鏡物距大于物鏡焦距并小于物鏡二倍焦距，物經物鏡成一個倒立放大的實像；望遠鏡物鏡的后焦點與目鏡的前焦點重合，物距大于物鏡二倍焦距，物經物鏡在物鏡焦點附近成一個倒立縮小的實像。另外，有的望遠鏡（如伽利略望遠鏡）物鏡是凹透鏡，有的望遠鏡（如牛頓反射式望遠鏡）物鏡是凹鏡，而顯微鏡物鏡都是凸透鏡。使用上：相同點：顯微鏡和望遠鏡都可以增大觀察者的視角。不同點：顯微鏡用來觀察近處看不清的細微物體或物體的細微部分，望遠鏡用來觀察遠處看不清的大物體?！究偨Y與反思】1、因為此次實驗前做了充分的預習，對實驗的原理有了正確的理解，所需計算的參數(shù)公式也提前推導出，不占用實驗的時間推導公式，因而提高了實驗的效率，確保實驗能當堂完成。所以說實驗前的充分預習是十分必要的2、這次實驗儀器調節(jié)極其需要耐心，讀數(shù)極其需要細心。實驗過程培養(yǎng)了動手能力和認真的態(tài)度。今天做的實驗對眼睛的要求也是很高的，在實驗技巧性上比起其它實驗也要強，做起來比較辛苦，所用的時間也比較長，需要一定程度的熟練使用光學儀器才能提高實驗技能和實驗效率。3、實驗中需要自己推到一些公式，鍛煉了分析問題解決問題的能力。而且，本實驗中具有自己設計儀器并加以驗證的環(huán)節(jié)，具有探索性，十分有趣，也啟發(fā)我們進行了分析和思考，收獲很大。最后，謝謝老師的悉心指導，幫助我們順利完成了本學期最后一次大物實驗！【原始數(shù)據(jù)記錄表格】1、標定測量顯微鏡：用綠色刻尺（每格0.20mm）作為標準標定測量顯微鏡，測量顯微鏡編號標準物y=mm（10格），像y’=，顯微鏡物鏡放大率β0=2、望遠鏡實驗物鏡編號，物鏡焦距fo’=，目鏡編號，目鏡焦距fe’=。物屏位置，物鏡位置Lo=，目鏡位置Le=，測量顯微鏡位置=。測量序號123E字上端線位置d1(mm)E字下端線位置d2(mm)像高y’’=(d1-d2)/βo(mm)y''=，E字高y=，實驗值ΓT=yy=實驗值與理論值相對偏差=_____________。3、望遠鏡物像共面時的視放大率測量序號123物格數(shù)m像格數(shù)nΓ4、顯微鏡實驗（1）利用所提供條件及物鏡目鏡焦距，設計、計算物鏡與目鏡間距l(xiāng)物鏡編號