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1、实验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，了解并掌握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使用训练。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，掌握其正确使用方法。 2测量显微镜的放大率。实验原理 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。显然，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，正常人的眼睛能分辨在明视距离处相距为0.050.07毫米的两点。
2、（人眼长时间地观察太近或太远的物体会感到疲劳不适，经验表明，正常人的眼睛观看物体时，最为清晰而又不易疲劳的距离为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，称为最小分辨角。当微小物体（或远处物体）对眼睛所张视角小于此最小分辨角时，眼睛将无法分辨。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。它们的放大能力可用角放大率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为通过光学仪器观察时，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，讨论它的放大率。如图4-15-1所示，当L为凸透镜，被测物AB长为y1，到眼
3、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AB，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。凸透镜是最简单的放大镜。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，
4、其放大率可达20X。 2显微镜的放大率 最简单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F0），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AB（其长度为y2），此实像在目镜的焦点以内，经过目镜放大， Du1v1u2DAB F0y1Le A Fey2y3 A B Fey B F0L0图 4 -15-2 简单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AB（其长度为y3）。虚像AB对于被观测物AB来说是倒立的。
5、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F0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1719cm）。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，使用20X物镜和5X目镜的显微镜，它的放大率m205100。一般显微镜的放大率为几十倍到
6、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使用。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观察物。可变光阑可改变孔径，以调节照明亮度
7、，以便使用不同数值孔径的物镜观察时获得清晰的像。 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。调节器分粗调手轮（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
8、12.反光镜 13.镜座 14.游标尺 显微镜系精密光学仪器，要注意保养维护，使用时应严格遵守操作规程和使用方法（参阅仪器使用说明书）。特别是使用高倍物镜时，由于物镜视场小而暗，工作距离短，调节较为困难，必须细心操作。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，调焦稍不小心，物镜就可能与被观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）需要使用高倍物镜时先用低倍物镜进行观察调节；（2）用粗调手轮把镜筒往下调，并从旁边严密监视，使物镜镜头慢慢靠近被观察物而又不接触；（3）然后从目镜中观察，并慢慢转动粗调手轮使镜筒上升（不许下降：），使镜头与
9、物间距离逐渐增大，直至观察到物的像。（4）这时转动转换器，换用高倍物镜观察（转换时物镜不会碰到被观察物），稍加调节微调手轮，即可获得最清晰的像 ，至此调焦完毕。实验仪器 光学实验平台、凸透镜（长、短焦距各一片）、半透反射镜、参考标尺、1/10mm分划板、白炽灯光源、生物显微镜、测微目镜、标准石英尺、待测样品等。 实验内容及步骤 1装配显微镜并测定其放大率 （1）测量给定透镜的焦距（参阅实验14），然后选择一个透镜作物镜，另一个作目镜，说明选择的理由。（2）按图4-15-4装配显微镜。图中y1是被测对象（为方便比较起见，可选用附有1/10mm标尺的分划板），P为与显微镜光轴成45的半透反射镜，S
10、是离开光轴为25厘米的参考标尺，按照光学间隔一般为1719厘米，选择一个合适的L值。Sy3y1L0PLS25cmLe 图 4 -15-4 测定显微镜放大率装置图(3)调整被测物y1离物镜的距离，使它经显微镜系统成的像y3与参考标尺S经P反射的像S重合。要求反复调整，直到被测物的放大像y3与标尺的反射像S之间没有视差为止。读出放大像y3的n格长度与标尺像S 的N格相对应，即可得到显微镜的放大率m=N/n。（4）将D25厘米和光学间隔 D = L - f0 - fe （L 、 f0和 fe前面已经测出）代入式（4-14-5），算出显微镜的放大率m，并将计算结果与观测值作一比较。 2*利用显微镜、目
11、镜测微尺及石英尺测量微小长度 （1）将所需测量的样品或标本放在载物台上夹住。 （2）将各倍率的物镜顺序装于物镜转换器上；选择适当倍率的目镜，并把目镜测微尺放人目镜镜筒，然后插入显微镜镜筒中。 （3）根据需要调节聚光镜、反光镜及光阑，使目镜中观察到强弱适当而均匀的视场。 （4）熟悉显微镜的机械结构，学会调节使用，特别要熟悉粗调手轮和微调手轮的使用方法，弄清镜筒的升降（顺时针转动手轮是下降，逆时针转动是上升），做到熟练掌握，调节自如。 （5）先用低倍物镜对物进行调焦，遵照操作规程先粗调、后微调，直至目镜视场中观察到最清晰的像）如果被观察物的像不在视场中心，则可调节载物台移动手轮，将其移至视场中心进
12、行观察。 （6）转动转换器；换用高倍物镜观察，略为调节微调手轮，直至所观察的像最为清晰。 （7）将观察的样品或标本取下，换上标准石英尺（常用的石英尺全长1毫米，共分为100小格，每格长为10微米）转动目镜镜筒，使目镜测微尺的刻度与视场中标准石英尺的刻度相平行，并移动载物台，使之重合，读取目镜测微尺上的几个分格在标准石英尺上的分格数，以校正目镜测微尺的分格值。记下所用物镜的放大率，比较实验结果。 （8）取下标准石英尺，换上观察样品标本，测量其长度。在不同部位或不同方位下测量五次，取其平均值。（表格自拟） 数据记录与处理表 1 装配显微镜测量数据 f0 = （mm）；fe = （mm）；nf0位置
13、（mm）fe位置（mm）L（mm）D（mm）D（mm）n（mm）N（mm）m= N/ nm=mem0123思考题 1显微镜的放大率与哪些量有关？要提高显微镜的放大率有哪些可能的途径？2在实验内容1中，我们用目测法和计算法分别得出了显微镜的放大率。试再利用作图法先画出自装显微镜的光路图，然后由图求其放大率。最后将上述三种方法所求得的放大率作一比较。3生物显微镜的结构，怎样调节、使用显微镜，调节时应注意什么？二 测量望远镜的放大率学习重点 1了解望远镜的构造原理，掌握其正确使用方法。 2测量望远镜的放大率。实验原理 望远镜可用来观测远处的物体。最简单的望远镜由两个凸透镜组成。其中，焦距较长的透镜为物镜。由于被观测物体离物镜的距离远大于物镜的焦距（u2 f0），通过物镜的作用后，将在物镜的后焦面附近形成一个倒立的缩小实像。此实像虽较原物体小，但与原物体相比，却大大地接近了眼睛，因而增大了视角。然后通过目镜将它再放大。由目镜所成的像可在明视距离到无限远之间的任何位置上。图4-15-5表示简单望远镜的光路图。图中L0为物镜，其焦距为f0；Le为目镜，其焦距为fe。当观测无限远处的物体（u）时，物镜的焦平面和目镜的焦平面重合，物体通过物镜成像在它的后焦面上，同时也处于目镜的前焦面上，因而通过目镜观察时，成像于无限远。此时，望远镜的放大率可由式4-15-6得出。 （4-15-6）yj
