实验51几何光学设计实验望远镜及显微镜是最常用的助视光学仪器.在物理实验中经常使用的有读数显微镜、测量望远镜及自准望远镜等：本实验通过实验室给出的各种分立的光学元件，按要求组成望远镜及显微镜，并用组成的聚焦于无穷远的望远镜进行透镜焦距的测定，【实验目的】（1）加深理解薄透镜成像规律（2）了解望远镜和显微镜的基本构造及工作原理.（3）掌握测量薄透镜焦距的方法.【实验仪器】焦距不超过25cm的凸透镜、凹透镜、发光物屏、物屏、分划板、白屏、光具座（带标尺）、支架等【实验提示】1.测量凸透镜的焦距PLo'Lo"点光源经凸透镜聚焦的光路如图Fo"51-1所示，点光源（发光物屏）与白屏的距离为D（D>4)，当凸透镜在(发光)物屏与白屏之间移动时，白屏上可以成一个大像和一个小像，这称为物像共A轭：v为点光源（发光物屏）、P为白屏，L。为薄凸透镜，若透镜两次成像的位移图51-1点光源经凸透镜聚焦光路图为d，根据透镜成像公式，推导共轭法测透镜焦距的公式，跟据光具座上发光物屏y、薄凸透镜L。、白屏P的标尺示数，求出透镜L。的焦距.（还可以利用物距像距法测量凸透镜的焦距.）2．显微镜的工作原理LoPLe显微镜是观察微小物体的光学仪Fe器，其光路如图51-2所示.离物体近Fay的透镜L。叫物镜，其焦距较短；离眼晴近的透镜L。叫目镜，其焦距比物镜稍大：为能对待测物体准确定位，在物镜L。与目镜Le之间放入分划板P，调节目镜L。与分划板P的间距，使分图51-2显微镜光路图I
1 实验 51 几何光学设计实验 望远镜及显微镜是最常用的助视光学仪器．在物理实验中经常使用的有读数显微镜、测 量望远镜及自准望远镜等．本实验通过实验室给出的各种分立的光学元件，按要求组成望远 镜及显微镜，并用组成的聚焦于无穷远的望远镜进行透镜焦距的测定． 【实验目的】 （1） 加深理解薄透镜成像规律． （2） 了解望远镜和显微镜的基本构造及工作原理． （3） 掌握测量薄透镜焦距的方法． 【实验仪器】 焦距不超过 25cm 的凸透镜、凹透镜、发光物屏、物屏、分划板、白屏、光具座（带标 尺）、支架等． 【实验提示】 1． 测量凸透镜的焦距 点光源经凸透镜聚焦的光路如图 51-1 所示，点光源（发光物屏）与白屏 的距离为 D（D>4f），当凸透镜在(发光) 物屏与白屏之间移动时，白屏上可以成 一个大像和一个小像，这称为物像共 轭．y 为点光源（发光物屏）、P 为白屏， Lo 为薄凸透镜，若透镜两次成像的位移 为 d，根据透镜成像公式，推导共轭法 测透镜焦距的公式，跟据光具座上发光物屏 y、薄凸透镜 Lo、白屏 P 的标尺示数，求出透镜 Lo 的焦距．（还可以利用物距像距法测量凸透镜的焦距．） 2．显微镜的工作原理 显微镜是观察微小物体的光学仪 器，其光路如图 51-2 所示．离物体近 的透镜 Lo叫物镜，其焦距较短；离眼 睛近的透镜 Le叫目镜，其焦距比物镜 稍大．为能对待测物体准确定位，在 物镜 Lo 与目镜 Le之间放入分划板 P， 调节目镜 Le 与分划板 P 的间距，使分 图 51-2 显微镜光路图 Fo Fe Lo P Le u υ l y y′ y″ 图 51-1 点光源经凸透镜聚焦光路图 Fo′ Lo′ P y y’ Lo″ y″ Fo″ D d
划板P上的叉丝处于最清晰的位置物屏y放在物镜L的焦点F。外，通过调节物屏y与物镜L。间距，使物屏y成一放大、倒立的实像y"于分划板P处，观察者经目镜L观察像y，将观察到分划板P上的叉丝与一放大、倒立的虚像y"重叠，使微小物体y被放大成y"。改变P与物镜L。间的距离1，可以获得显微镜的不同放大率，3.开普勒望远镜的工作原理LoP常见望远镜可简单分为伽利略望远镜、开普勒望远镜和牛顿式望.FFe远镜，开普勒望远镜的光路如图51-3S所示.物镜的焦距较长，目镜的焦距较短.无穷远处物体发出的光（平E行光）经过物镜L。成实像y于物镜y.L.的焦平面F.处（处于自镜L.的焦图51-3望远镜光路图点F。内）.改变物镜L。的位置，使实像y"与分划板P（经目镜L观察处于最清晰位置）重合：人眼通过目镜L。看像y"的过程与显微镜的观察过程相同．即人眼通过望远镜观察物体，相当于将远处的物体拉到了近处观察，实质上起到了视角放大的作用。【设计要求】自组光路，使用共轭法测量各凸透镜焦距，绘出光路图，写出相关公式，记录数据，计1.算焦距（提示：如发现透镜焦距过短，可适当缩短发光物屏y、薄凸透镜L。、白屏P的间距，以保证图像清晰）2.根据你的初测结果，选择二片凸透镜，自组一能把远处物体放大到最大的带分划板望远镜，要求对无限远聚焦，3.利用这个自组的对无限远聚焦的望远镜，测量另一凸透镜（余下的任选1个）的焦距，画出光路图，绘制数据表格，给出所选物镜、目镜的焦距（或透镜编号），记录物屏与被测物镜的间距，望远镜系统物镜与叉丝的间距，以及叉丝与目镜的间距等相关数据。与前面共轭法的测量结果进行比较。4.用自组的聚焦于无穷远的望远镜测量凹透镜焦距，实验原理是物屏经凸透镜与凹透镜后形成平行光，再利用望远镜接收平行光（可以查阅资料）。可在上一实验的基础上，将物屏向远离物镜的方向移动（物距离透镜大于1.5倍焦距比较好调，若所选透镜焦距越小，物距离透镜要越远些），将待测凹透镜插在凸透镜与望远镜之间，前后移动凹透镜，直至眼晴通过望远镜看清分划板上的像，且消视差。画出光路图，给出测量凹透镜焦距的计算式，标出相关参数，绘制数据表格，并求出凹透镜的焦距，5.选择二片凸透镜，要求间距大约15cm，自组一放大倍数最大的带分划板的显微镜应该2
2 划板 P 上的叉丝处于最清晰的位置． 物屏 y 放在物镜 Lo的焦点 Fo 外，通过调节物屏 y 与物镜 Lo间距，使物屏 y 成一放大、 倒立的实像 y′ 于分划板 P 处，观察者经目镜 Le 观察像 y′，将观察到分划板 P 上的叉丝与一 放大、倒立的虚像 y″重叠，使微小物体 y 被放大成 y″．改变 P 与物镜 Lo 间的距离 l ，可以获 得显微镜的不同放大率． 3．开普勒望远镜的工作原理 常见望远镜可简单分为伽利略 望远镜、开普勒望远镜和牛顿式望 远镜，开普勒望远镜的光路如图51-3 所示．物镜的焦距较长，目镜的焦 距较短．无穷远处物体发出的光（平 行光）经过物镜 Lo成实像 y′ 于物镜 Lo 的焦平面 Fo处（处于目镜 Le的焦 点 Fe 内）．改变物镜 Lo 的位置，使 实像 y′ 与分划板 P（经目镜 Le观察处于最清晰位置）重合．人眼通过目镜 Le看像 y″的过程 与显微镜的观察过程相同．即人眼通过望远镜观察物体，相当于将远处的物体拉到了近处观 察，实质上起到了视角放大的作用． 【设计要求】 1． 自组光路，使用共轭法测量各凸透镜焦距．绘出光路图，写出相关公式，记录数据，计 算焦距．（提示：如发现透镜焦距过短，可适当缩短发光物屏 y、薄凸透镜 Lo、白屏 P 的 间距，以保证图像清晰） 2． 根据你的初测结果，选择二片凸透镜，自组一能把远处物体放大到最大的带分划板望远 镜，要求对无限远聚焦． 3． 利用这个自组的对无限远聚焦的望远镜，测量另一凸透镜（余下的任选 1 个）的焦距， 画 出光路图，绘制数据表格，给出所选物镜、目镜的焦距（或透镜编号），记录物屏与被测 物镜的间距，望远镜系统物镜与叉丝的间距，以及叉丝与目镜的间距等相关数据。与前 面共轭法的测量结果进行比较。 4． 用自组的聚焦于无穷远的望远镜测量凹透镜焦距，实验原理是物屏经凸透镜与凹透镜后 形成平行光，再利用望远镜接收平行光（可以查阅资料）。可在上一实验的基础上，将物 屏向远离物镜的方向移动（物距离透镜大于 1.5 倍焦距比较好调，若所选透镜焦距越小， 物距离透镜要越远些），将待测凹透镜插在凸透镜与望远镜之间，前后移动凹透镜，直至 眼睛通过望远镜看清分划板上的像，且消视差。画出光路图，给出测量凹透镜焦距的计 算式，标出相关参数，绘制数据表格，并求出凹透镜的焦距． 5． 选择二片凸透镜，要求间距大约 15cm，自组一放大倍数最大的带分划板的显微镜．应该 图 51-3 望远镜光路图 Fe Fo Lo P Le y″ y′
如何选择凸透镜？画出光路图，绘制数据表格，标出所选物镜、目镜的编号，给出物屏与物镜、物镜与叉丝、以及叉丝与目镜的间距分别是多少？【注意】本实验要求学生做好课前预习，按设计要求画好光路图，绘制数据表格，要求学生当堂完成实验测量、记录和计算结果，并当堂提交实验报告！！【思考题】(1）关判断透镜的凸凹（不许用手摸），写出判断方法及结果(2)使用共轭法测量凸透镜焦距时，发光屏与白板间距有何要求？改变凸透镜位置能在白屏上找到几个物象？(3)用自组聚焦无限远望远镜观察距离有限远的物体，应如何调整物镜？(4)自组望远镜时，为把远处物体放大到最大，选择物镜和目镜的原则是什么？如果互换物镜和目镜位置，会有什么现象？(5)自组显微镜时，选择物镜和目镜的原则是什么？互换物镜和目镜位置，会有什么现象？前面5道题为必答题，如果答案不确定，可以在实验课上做一下，再给出答案。以下4道题供思考和选作（6）图51-3中，在目镜Le选定的情况下，Le与像y的距离由什么因素决定？(7）用1#凸透镜观察物屏时，如果发现物屏纵向的红刻度与横向的黑刻度清晰的位置不一致，是什么原因？如何验证？(8)望远镜有几种？说出它们的优缺点，凹透镜在现代望远镜中的作用是什么？(9)望远镜和显微镜有哪些相同之处，以及两者的主要区别？从用途、结构、视角放大率以及调焦方法等儿个方面比较它们的相异之处。【参考文献】1.孙晶华主编。物理实验教程，北京：国防工业出版社，2009.2.孙维民主编．物理实验教程北京：科学出版社，20113.张志东主编．大学物理实验北京：科学出版社，20074，李平舟主编。大学物理实验．西安：西安电子科技大学出版社，2002.3
3 如何选择凸透镜？画出光路图，绘制数据表格，标出所选物镜、目镜的编号，给出物屏 与物镜、物镜与叉丝、以及叉丝与目镜的间距分别是多少？ 【注意】 本实验要求学生做好课前预习，按设计要求画好光路图，绘制数据表格，要求学生当堂 完成实验测量、记录和计算结果，并当堂提交实验报告！！ 【思考题】 （1） 判断透镜的凸凹（不许用手摸），写出判断方法及结果． （2） 使用共轭法测量凸透镜焦距时，发光屏与白板间距有何要求？改变凸透镜位置， 能在白屏上找到几个物象？ （3） 用自组聚焦无限远望远镜观察距离有限远的物体，应如何调整物镜？ （4） 自组望远镜时，为把远处物体放大到最大，选择物镜和目镜的原则是什么？如果 互换物镜和目镜位置，会有什么现象？ （5） 自组显微镜时，选择物镜和目镜的原则是什么？互换物镜和目镜位置，会有什么 现象？ 前面 5 道题为必答题，如果答案不确定，可以在实验课上做一下，再给出答案。 以下 4 道题供思考和选作 （6） 图 51-3 中，在目镜 Le 选定的情况下，Le 与像 y′的距离由什么因素决定？ （7） 用 1#凸透镜观察物屏时，如果发现物屏纵向的红刻度与横向的黑刻度清晰的位 置不一致，是什么原因？如何验证？ （8） 望远镜有几种？说出它们的优缺点，凹透镜在现代望远镜中的作用是什么？ （9） 望远镜和显微镜有哪些相同之处，以及两者的主要区别？从用途、结构、视角放 大率以及调焦方法等几个方面比较它们的相异之处。 【参考文献】 1．孙晶华主编. 物理实验教程．北京：国防工业出版社，2009. 2．孙维民主编. 物理实验教程．北京：科学出版社，2011. 3．张志东主编. 大学物理实验．北京：科学出版社，2007. 4．李平舟主编. 大学物理实验．西安：西安电子科技大学出版社，2002