19 顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作

居家物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心李恒一望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的設(shè)計(jì)與制作

USTC內(nèi)容大綱實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)原理2實(shí)驗(yàn)儀器3待研究問題4USTC實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握自準(zhǔn)直法和測量放大鏡焦距的方法?了解望遠(yuǎn)鏡成像的原理，并計(jì)算望遠(yuǎn)鏡對(duì)近處物體聚焦的放大率?使用放大鏡和自制的水滴透鏡搭建顯微鏡，增強(qiáng)動(dòng)手能力實(shí)驗(yàn)儀器USTC剪刀、兩個(gè)不同焦距的放大鏡、手機(jī)、平面鏡、硬紙板、刻度尺、外賣盒、保鮮膜、橡皮筋實(shí)驗(yàn)原理USTC1、自準(zhǔn)直法測量凸透鏡的焦距凸透鏡的焦距可以使用匯聚法進(jìn)行粗略的測量，更準(zhǔn)確的測量方法有自準(zhǔn)直法。將自制的物放在凸透鏡的焦平面，光源發(fā)出的入射光透過物平面透光部分后，經(jīng)過透鏡成為一束平行光，再經(jīng)過與光軸垂直的平面鏡反射，反射光再次通過透鏡后仍匯聚于透鏡的焦平面上，得到一個(gè)與原物相同的倒立實(shí)像，如下圖所示：

自準(zhǔn)直法原理俯視圖物平面上的倒立實(shí)像入射光反射光實(shí)驗(yàn)原理USTC2、開普勒式望遠(yuǎn)鏡的原理開普勒式望遠(yuǎn)鏡是使用兩個(gè)凸透鏡作為目鏡和物鏡的光學(xué)儀器，它可以放大遠(yuǎn)處物體的張角。原理是遠(yuǎn)處的光線進(jìn)入作為物鏡的凸透鏡，第1次成倒立、縮小的實(shí)像，這相當(dāng)于照相機(jī)；然后這個(gè)實(shí)像進(jìn)入作為目鏡的凸透鏡，第2次成正立、放大的虛像，這相當(dāng)于放大鏡光路圖如右圖所示：上圖是對(duì)無窮遠(yuǎn)處聚焦，望遠(yuǎn)鏡的放大率即物鏡的焦距與目鏡焦距之比下圖是對(duì)近處物體聚焦，圖中u1、v1和u2、v2分別為物鏡L0和目鏡Le成像時(shí)的物距和像距，△是物鏡和目鏡焦點(diǎn)之間的距離，理論的放大率m可以由右圖公式給出，式中l(wèi)為目鏡到物鏡的距離望遠(yuǎn)鏡對(duì)無窮遠(yuǎn)處聚焦定義原像對(duì)眼睛的視角為α，經(jīng)過眼睛后對(duì)眼睛的視角為β，計(jì)算放大率m等于：望遠(yuǎn)鏡對(duì)近處聚焦實(shí)驗(yàn)原理USTC下圖是實(shí)際搭建的望遠(yuǎn)鏡觀察近處物體的效果：實(shí)驗(yàn)原理USTC3、顯微鏡的原理顯微鏡利用凸透鏡的放大成像原理，將人眼不能分辨的微小物放大到人眼能分辨的尺寸。光路圖如右圖1：被觀察物體AB位于凸透鏡L0左側(cè)大于但接近f0處，經(jīng)L0放大成一倒立放大實(shí)像A1B1，像A1B1位于Le左側(cè)fe以內(nèi)，經(jīng)Le在遠(yuǎn)處成一倒立更大的虛像A2B2，人眼的明視距離D約為254mm由于物鏡需要焦距較小的凸透鏡，而一般放大鏡的焦距較大，需要自制水滴，圖2是加工的好水滴凸透鏡，圖3是刻度尺被顯微鏡放大的效果制作視頻可以在答疑群文件中下載：圖3顯微鏡放大效果圖1顯微鏡原理圖圖2水滴凸透鏡放大的刻度待研究問題USTC基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：?用匯聚法粗測兩個(gè)放大鏡的焦距?使用硬紙板自制物平面（見第5頁P(yáng)PT），利用手機(jī)的手電筒做光源，用自準(zhǔn)直法測出兩個(gè)放大鏡的焦距，并對(duì)比匯聚法的結(jié)果?用放大鏡搭建開普勒式望遠(yuǎn)鏡，注意長焦距用作物鏡，短焦距用作目鏡。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡對(duì)遠(yuǎn)處的景物聚焦，觀察遠(yuǎn)處景物放大的效果，并拍攝一張你搭建的望遠(yuǎn)鏡照片待研究問題USTC進(jìn)階實(shí)驗(yàn):?加工外賣盒(第7頁圖2)，適當(dāng)?shù)目嚲o保鮮膜并用橡皮筋扎好，用筷子把水滴點(diǎn)在保鮮膜上。調(diào)節(jié)水滴的大小得到合適的水滴透鏡作為物鏡，放大鏡作為目鏡搭建顯微鏡。把刻度尺作為被觀察的物體，放在物鏡下方合適的位置，調(diào)節(jié)目鏡對(duì)刻度尺聚焦。觀察尺子刻度被顯微鏡放大的情況，用手機(jī)拍攝一張清晰的圖片?望遠(yuǎn)鏡觀察距離物鏡2米的標(biāo)尺，調(diào)節(jié)目鏡對(duì)其聚焦，使用第6頁的公式計(jì)算放大率m高階實(shí)驗(yàn)：?目測法驗(yàn)證望遠(yuǎn)鏡對(duì)近處物體的放大率：將標(biāo)尺放在距離物鏡2米處，用一只眼睛直接觀察標(biāo)尺，用另一只眼睛通過望遠(yuǎn)鏡觀察標(biāo)尺的像。調(diào)節(jié)目鏡使標(biāo)尺和它的像重合，并消除視差，則在標(biāo)尺和標(biāo)尺的像重合的區(qū)段內(nèi)刻度數(shù)的比值就是望遠(yuǎn)鏡的放大率。將目測法測量的放大率和通過公式計(jì)算得到的放大率進(jìn)行比較USTC注意事項(xiàng)1、自準(zhǔn)直法測量焦距時(shí)，先調(diào)整光路平行，然后光路中插入放大鏡，調(diào)整放大鏡與紙板之間距離，當(dāng)紙板上有清晰的像，且像物體等大時(shí)，紙板與透鏡之間的距離即為