实验15-16----显微镜、望远镜、双棱镜率
试验15 测量显微镜和望远镜的放大率 显微镜和望远镜是最常用的助视光学仪器,常被组合在其他光学仪器中。因此,了解并驾驭它们的构造原理和调整方法,不仅有助于加深理解透镜成像规律,也有助于加强对光学仪器的调整和运用训练。 一 测量显微镜的放大率 [学习重点] 1.了解显微镜的构造原理,驾驭其正确运用方法。 2.测量显微镜的放大率。 [试验原理] 1.光学仪器的角放大率 显微镜被用于观测微小的物体,望远镜被用于观测远处的物体,它们的作用都是将被观测物体对眼睛光心的张角(视角)加以放大。明显,同一物体对眼睛所张的视角与物体离眼睛的距离有关。在一般照明条件下,正常人的眼睛能辨别在明视距离处相距为0.05~0.07毫米的两点。(人眼长时间地视察太近或太远的物体会感到疲惫不适,阅历表明,正常人的眼睛观看物体时,最为清楚而又不易疲惫的距离为25厘米。这个距离称为明视距离。)此时,这两点对眼睛所张的视角约为1′,称为最小辨别角。当微小物体(或远处物体)对眼睛所张视角小于此最小辨别角时,眼睛将无法辨别。因而需借助光学仪器(如放大镜、显微镜、望远镜等)来增大对眼睛所张的视角。它们的放大实力可用角放大率m表示。其定义为 (4-15-1) 式中j为明视距离处物体对眼睛所张的视角,y为通过光学仪器视察时,在明视距离处所成的像对眼睛所张的视角。下面以凸透镜为例,探讨它的放大率。 如图4-15-1所示,当L为凸透镜,被测物 AB长为y1,到眼睛的距离为D时,y1对眼睛 的视角为j ;当将物体置于透镜焦平面以内的 位置时,可得到放大的虚像A¢B¢,像长为y2。 调整物距u,使像到眼睛的距离为明视距离D, 对眼睛所张视角为y ,则此凸透镜的放大率为 (4-15-2) 当透镜焦距较小时,u » f ,则 图 4 -15-1 凸透镜放大示意图 (4-15-3) 由上式可见,减小凸透镜焦距,可以增大它的放大率。凸透镜是最简洁的放大镜。式(4-15-3) 就表示放大镜的放大率。由于单透镜存在像差,它的放大率一般在3倍(3X)以下。为提高其放大率并保持较好的成像质量,常由几块透镜组成复合放大镜。复合放大镜的放大率仍可用式(4-15-3)计算,式中f代表透镜组的焦距,其放大率可达20X。 2.显微镜的放大率 最简洁的显微镜是由两个凸透镜构成的。其中,物镜的焦距很短,目镜的焦距较长。它的光路示意图,如图4-15-2所示。图中的L0为物镜(焦点在F0和F¢0),其焦距为f0;Le为目镜,其焦距为fe 。将长度为y1的被观测物AB放在L0的焦距外且接近焦点F0处,物体通过物镜成一放大的倒立实像A¢B¢(其长度为y2),此实像在目镜的焦点以内,经过目镜放大, D u1 v1 u2 D A B F0 y1 Le A¢ Fe y2 y3 A¢¢ B¢¢ F¢e y B¢ F¢0 L0 图 4 -15-2 简洁显微镜的光路图 结果在明视距离D上得到一个放大的虚像A¢¢B¢¢(其长度为y3)。虚像A¢¢B¢¢对于被观测物AB来说是倒立的。由图4-15-2可见,显微镜的放大率为 (4-15-4) 式中,为目镜的放大率; (因v1比f0大得多),为物镜的放大率。D为显微镜物镜焦点F¢0到目镜焦点Fe之间的距离,称为物镜和目镜的光学间隔(显微镜的光学间隔一般是一个确定值,通常为17~19cm)。因而式(4-15-4)可改写成 (4-15-5) 由式(4-15-5)可见,显微镜的放大率等于物镜放大率和目镜放大率的乘积。在f0、fe、D和D为已知的情形下,可利用式(4-15-5)算出显微镜的放大率。 显微镜通常配有一套不同放大率的物镜和目镜,可供选用。例如,运用20X物镜和5X目镜的显微镜,它的放大率m=20´5=100。一般显微镜的放大率为几十倍到几百倍。 [仪器介绍] 常用的生物显微镜的结构和外形如图4-15-3所示。由光学和机械两大部分组成。 1.光学部分的成像系统由目镜(1)和物镜(7)组成。目镜由两块透镜装置在目镜镜筒中构成,筒上标有放大率,常用的有5´、10´、15´、(或12.5´)。物镜由多块透镜复合构成,装置在物镜转换器(6)上,转动转换器可以调换运用。通常配有物镜三个,放大率分别为10´、40´、100´、(或8´、45´、100´)。由物镜和目镜的相互组合,可得九种不同的放大率。 光学部分的照明系统由聚光镜(10), 可变光阑(11)和反射镜(12)组成。 反射镜将外来光线导入聚光镜,并由聚光 镜聚焦以照亮被视察物。可变光阑可变更 孔径,以调整照光明度,以便运用不同数 值孔径的物镜视察时获得清楚的像。 2.机械部分由镜筒(2)、镜架(3)、 镜座(13)等组成。物镜转换器(6)装 有三个物镜,可借助转动而调换。调整器 分粗调手轮(4)和微调手轮(5)两种。 转动粗调手轮可使镜筒明显升降,为初步 对光之用;转动微调手轮镜筒则升降甚微, 用以精确地对物调焦。载物台(8)在物 镜下方,为搁置载物玻片和标本之用。载 物台移动手轮(9)装在载物台上,用以前后 左右移动载物玻片和标本。移动距离可由 游标尺(14)读出。 1. 目镜 2. 镜筒 3. 镜架 4. 粗调手轮 5.微调手轮6. 物镜转换器 7.物镜 8.载物台 9.载物台移动手轮 10.聚光器 11.可变光阑旋柄 12.反光镜 13.镜座 14.游标尺 显微镜系精密光学仪器,要留意保养 维护,运用时应严格遵守操作规程和运用 方法(参阅仪器运用说明书)。特殊是使 用高倍物镜时,由于物镜视场小而暗,工 作距离短,调整较为困难,必需细心操作。 图 4 -15-3 显微镜的结构示意图 例如100´物镜,工作距离只有2毫米左右, 调焦稍不当心,物镜就可能与被视察物接触 而受到挤压,造成损坏。为此,规定调焦的操作规程如下: (1)须要运用高倍物镜时先用低倍物镜进行视察调整;(2)用粗调手轮把镜筒往下调,并从旁边严密监视,使物镜镜头渐渐靠近被视察物而又不接触;(3)然后从目镜中视察,并渐渐转动粗调手轮使镜筒上升(不许下降:),使镜头与物间距离渐渐增大,直至视察到物的像。(4)这时转动转换器,换用高倍物镜视察(转换时物镜不会遇到被视察物),稍加调整微调手轮,即可获得最清楚的像 ,至此调焦完毕。 [试验仪器] 光学试验平台、凸透镜(长、短焦距各一片)、半透反射镜、参考标尺、1/10mm分划板