望远镜和显微镜实验报告

[清华大学物理实验][BME8鲍小凡][学号：2008013215]望远镜和显微镜实验报告BME8鲍小凡2008013215【实验目的】（1）了解望远镜和显微镜的构造及其放大原理，并掌握其使用方法；（2）了解放大率等的概念并掌握其测量方法；（3）进一步熟悉透镜成像规律。【实验原理】一、望远镜1、望远镜的基本光学系统无穷远处物体发出的光经物镜后在物镜焦平面上成一倒立缩小的实像，再利用目镜将此实像成像于无穷远处，使视角增大，利于人眼观察。图1望远镜的基本光学系统使用望远镜时，应先调目镜，看清分划板，再调镜筒长度。使被观察物清晰可见并与分划板叉丝无视差（中间像落在分划板平面上）。2、望远镜的视放大率。记目视光学仪器所成的像对人眼的张角为ω’，物体直接对人眼的张角为ω，则视放大率：由几何光路可知：因此，望远镜的视放大率：实际测量望远镜无焦系统的视放大率时，利用图二所示的光路图。当物y较近时，即物距：时，物镜所成的像会位于Oe右侧（实像）或左侧（虚像），经目镜后，即成缩小的实像y’’，于是视放大率：图2测望远镜的视放大率图3、物像共面时的视放大率。当望远镜的被观测物位于有限远时，望远镜的视放大率可以通过移动目镜把像y’’推远到与物y在一个平面上来测量。如图三。此时：于是可以得到望远镜物像共面时的视放大率：可见，当物距L1大于20倍物镜焦距时，它和无穷远时的视放大率差别很小。图3测望远镜物象共面时的视放大率二、显微镜1、显微镜的基本光学系统显微镜的物镜、目镜都是会聚透镜，位于物镜物方焦点外侧附近的微小物体经物镜放大后先成一放大的实像，此实像再经目镜成像于无穷远处，这两次放大都使得视角增大。为了适于观察近处的物体，显微镜的焦距都很短。图4显微镜基本光学系统使用时需先进行视度调节使分划板叉丝的像位于人眼明视距离处，再调焦使被观察物清晰可见并与分划板叉丝的像无视差。2、显微镜的视放大率。显微镜的视放大率定义为像对人眼的张角的正切和物在明视距离D=250㎜处时直接对人眼的张角的正切之比。于是由三角关系得：其中，为物镜的线放大率，为目镜的视放大率。从上式可看出，显微镜的物镜、目镜焦距越短，光学间隔越大，显微镜的放大倍数越大。图5显微镜成像于有限远时的光路图当显微镜成虚像于距目镜为l’’的位置上，而人眼在目镜后焦点处观察时（如图五），显微镜的视放大率为：中间像并不在目镜的物方焦平面上，。这时视放大率的测量可通过一个与主光轴成45度的半透半反镜把一带小灯的标尺成虚像至显微镜的像平面，直接比较测量像长y’’，即可得出视放大率：3、测量显微镜它由线放大率β0为固定值的物镜和测微目镜组成。使用时调整测量显微镜位置使得成像在叉丝平面上，则像的实际大小为测微目镜测量值除以β0。【实验仪器】望远镜实验：物镜1件，目镜1件，测量显微镜1件（物镜线放大率），竖直标尺1件（分格值5.0mm），导轨1台，滑块若干，像屏1件。显微镜实验：物镜1件，目镜1件，半透半反镜1件，玻璃标尺1件（分格值0.20mm），带小灯毫米标尺1件，木尺1把，导轨1台，滑块若干。【实验任务】一、望远镜实验自己组装望远镜。并测量其视放大率。测量物距为离望远镜物镜65.00cm且物像共面时的视放大率。实验中用日光灯照亮竖直标尺作为望远镜的“物”，并作共轴调节，使物标尺上的十字焦点与透镜，共轴，且该轴与光具座导轨平行。（1）望远镜无焦系统的视放大率即，焦点重合时的视放大率。透镜间距=，用测量显微镜测出竖直标尺上3小格（15.0mm）经望远镜所成像的大小。重复测量3次，取平均值，计算视放大率，比较实验值与理论值，计算相对偏差。（2）测量物距为离望远镜物镜65.00cm且物像共面时的视放大率。移动目镜，使从目镜中能看到竖直标尺的像，一眼从外直接观察竖直标尺，另一眼看标尺的像，一边轻轻晃动眼睛，一边缓慢移动目镜位置，使标尺与其像之间基本没有视差。测出与标尺像上n格所对应的标尺上的m格，最后求出视放大率的平均值，并比较实验值与计算值，计算相对偏差。二、显微镜实验自己设计组装一台观察点位于目镜后焦点、成像于人眼明视距离D=250mm处、视放大率为20倍的显微镜。并实际测量该显微镜的视放大率。（1）设计、计算物镜与目镜间距。求出中间像距物镜、目镜的间距，，可得出。（2）按计算值在光具座上安装好一台显微镜，以绿色带小灯的玻璃标尺作物，调节物距，通过目镜看清楚此绿色标尺的像。测量视放大率时可参照图6装配仪器。使通过P同时看到的毫米标尺AB的像和玻璃标尺像间消视差。若绿色玻璃标尺上n格与毫米标尺的m分格等大，则：其中t为毫米标尺的分格值，t=1.0mm，为玻璃标尺的分格值，=0.20mm。共需测量三次，求平均视放大率，并与设计值比较，计算相对偏差。图6测显微镜视放大率的仪器装配图【数据处理和误差分析】1、标定测量显微镜：用绿色刻尺（每格0.20mm）作为标准标定测量显微镜，测量显微镜编号13标准物y=2mm（10格），像y’=1.85mm，显微镜物镜放大率β0=0.9252、望远镜实验物镜编号10，物镜焦距fo’=15.44cm，目镜编号04，目镜焦距fe’=3.14cm。物屏位置55.00cm，物镜位置Lo=120.00cm，目镜位置Le=140.50cm，测量显微镜位置=149.55cm。测量序号123E字上端线位置d1(mm)5.3205.4145.344E字下端线位置d2(mm)2.5442.5502.586像高y’’=(d1-d2)/βo(mm)2.7762.8642.758先做共轴调节，用日光灯照亮竖直标尺作为望远镜的“物”，使物标尺上的十字交点与透镜Lo、Le共轴，且该轴与光具座的导轨平行。通过测无焦系统的横向放大率来测望远镜的放大率（L1=65cm）使透镜间距为fo’+fe’，用测量显微镜测出竖直标尺上“E”字高经望远镜后所成像的大小y’’，重复测量三次取平均值，计算出视放大率，并比较实验值与理论值，计算相对偏差。y''=2.799mm，E字高y=12.70mm，实验值ΓT=yy=4.537，理论值=4.917。实验值与理论值相对偏差=__7.728%__。实验时认为β0理论推导：考虑β0=0.925。理论值：3、望远镜物像共面时的视放大率原始数据如下：测量序号123物格数m111像格数n8.27.88.3Γ8.27.88.3视放大率=的推导：（光路图如下）计算：由几何关系得到；（为与的距离）故即实验值与理论值相对偏差3、显微镜实验（1）利用所提供条件及物镜目镜焦距设计、计算物镜与目镜间距l物镜编号11，fo’=4.83cm，目镜编号04，fe’=3.14cm=16.96cm=2.74cm则l=qo+pe=19.70cm（2）物杆位置112.55cm，物镜位置Lo=120.00cm，目镜Le=139.70cm，半透半反镜位置=145.80cm，则半透半反镜与目镜间距s=6.10cm，目镜与物的距离l’’=D-fe’=21.86cm，则标尺位置X=s+l’’=27.69cmτ=0.2mm,t=1.0mm测量序号123比照标尺格数m81215带小灯的标尺格数n234ΓM=mt/nτ20201919.7,测量值与理论值相对偏差=1.5%误差分析本实验中可能造成误差的原因有：（1）读数时的误差。由于光学实验容易使眼睛产生疲劳，而且比如测物像共面的视放大率时需要两眼分别观察望远镜内、外，读数比较困难，因此读数误差应该是实验中的主要误差。（2）仪器误差。比如标尺的分度值是0.5cm，限制了读数的准确性。（3）利用计算近似结果组装显微镜会造成误差。（4）目镜的共轴调节只采取了粗调会造成误差。【思考题解答】1、用同一台望远镜观测不同距离的物体时，其视放大率是否改变？答：由前面分析可知，对于无焦系统，改变物距，视放大率不变。物像共面时的视放大率，，物距增大，视放大率减小；物距减小，视放大率增大。这从前面相应光路图中也能看出。2、本实验中使用的测量显微镜物镜的线放大率为1.000倍，目镜的视放大率约为10倍，用它测量像高的大小时，为什么显微镜目镜的放大倍数不用考虑？答：因为视放大镜内的主尺也被放大了同样的倍数，即通过该目镜测得的的刻度与实际测得的刻度数（实际标尺）相同，故微镜目镜的放大倍数不用考虑。3、如何利用平行光管将望远镜调焦到无穷远，使物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合（假定目镜、物镜的焦距未知或欠准）？答：先将平行光管置于物镜左侧，右侧放一接收屏P，调节P的位置，使其上出现一个亮点，记下P位置，该处即为。固定接受屏P，在P右侧放置目镜，右侧放置平行光管，调节位置，使P上出现一个亮点，则此时和重合，即和组成无焦系统。4、望远镜和显微镜结构和使用上有哪些相同点和不同点？答：结构上：相同点：显微镜和望远镜都是用凸透镜做目镜。（显微镜和开普勒望远镜都是用凸透镜做物镜。）显微镜和望远镜的物镜都成实像，相对目镜的距离小于目镜的焦距，经目镜成正立放大的虚像。不同点：显微镜物镜的焦距很短，目镜焦距要比物镜焦距稍长，两镜间距离可调节，望远镜物镜焦距较长，目镜焦距较短。显微镜物距大于物镜焦距并小于物镜二倍焦距，物经物镜成一个倒立放大的实像；望远镜物镜的后焦点与目镜的前焦点重合，物距大于物镜二倍焦距，物经物镜在物镜焦点附近成一个倒立缩小的实像。另外，有的望远镜（如伽利略望远镜）物镜是凹透镜，有的望远镜（如牛顿反射式望远镜）物镜是凹镜，而显微镜物镜都是凸透镜。使用上：相同点：显微镜和望远镜都可以增大观察者的视角。不同点：显微镜用来观察近处看不清的细微物体或物体的细微部分，望远镜用来观察远处看不清的大物体。【总结与反思】1、因为此次实验前做了充分的预习，对实验的原理有了正确的理解，所需计算的参数公式也提前推导出，不占用实验的时间推导公式，因而提高了实验的效率，确保实验能当堂完成。所以说实验前的充分预习是十分必要的2、这次实验仪器调节极其需要耐心，读数极其需要细心。实验过程培养了动手能力和认真的态度。今天做的实验对眼睛的要求也是很高的，在实验技巧性上比起其它实验也要强，做起来比较辛苦，所用的时间也比较长，需要一定程度的熟练使用光学仪器才能提高实验技能和实验效率。3、实验中需要自己推到一些公式，锻炼了分析问题解决问题的能力。而且，本实验中具有自己设计仪器并加以验证的环节，具有探索性，十分有趣，也启发我们进行了分析和思考，收获很大。最后，谢谢老师的悉心指导，帮助我们顺利完成了本学期最后一次大物实验！【原始数据记录表格】1、标定测量显微镜：用绿色刻尺（每格0.20mm）作为标准标定测量显微镜，测量显微镜编号标准物y=mm（10格），像y’=，显微镜物镜放大率β0=2、望远镜实验物镜编号，物镜焦距fo’=，目镜编号，目镜焦距fe’=。物屏位置，物镜位置Lo=，目镜位置Le=，测量显微镜位置=。测量序号123E字上端线位置d1(mm)E字下端线位置d2(mm)像高y’’=(d1-d2)/βo(mm)y''=，E字高y=，实验值ΓT=yy=实验值与理论值相对偏差=_____________。3、望远镜物像共面时的视放大率测量序号123物格数m像格数nΓ4、显微镜实验（1）利用所提供条件及物镜目镜焦距，设计、计算物镜与目镜间距l物镜编号