大學(xué)物理實驗光的力學(xué)效應(yīng)系列實驗

1、光的力學(xué)效應(yīng)-系列實驗主要內(nèi)容 . 1 一 光的力學(xué)效應(yīng)歷史與未來 . 2 二 光鑷技術(shù) . 4 三 創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)教學(xué)實驗的意義 . 14 四 光的線性動量實驗 . 16 五 實驗小結(jié) . 24 六 結(jié)束語 . 24 主要內(nèi)容 光的力學(xué)效應(yīng)？ 光有力量嗎？ 光子與物體的相互作用 光攜帶有能量和動量（線性動量和角動量）,光與物體相互作用時彼此交換能量和動量. 光子能量: ?h?E 光子動量: ?/hP? 光的動量是光的基本屬性之一。 光與人類生活的關(guān)系非常密切，伴隨科學(xué)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，人們對光的認(rèn)識也越來越深入。 光與物質(zhì)相互作用光的效應(yīng)光的效應(yīng): 在光的作用下，物體宏觀上產(chǎn)生的各種

2、現(xiàn)象 光的熱學(xué)效應(yīng): 光與物體相互作用時物體的溫度發(fā)生變化.常見現(xiàn)象 光的力學(xué)效應(yīng): 光與物質(zhì)間交換動量，使受光照射的物體獲得一個力或力矩,物體發(fā)生位移,速度和角度的變化. 難以察覺 (光電效應(yīng),磁光效應(yīng),光化學(xué)效應(yīng), ) 本講光的力學(xué)效應(yīng)主要內(nèi)容安排: 一. 光的力學(xué)效應(yīng)歷史與未來 1. 光-動量-光壓-力 2. 普通光和激光的力學(xué)效應(yīng) 3. 激光的力學(xué)效應(yīng) (微觀,界觀,宏觀) 4.光鑷-光的力學(xué)效應(yīng)的典型 二. 光鑷技術(shù) 1. 原理-單光束梯度力光阱 2. 特點和功能 3. 應(yīng)用列舉 三.創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)系列實驗的意義 1. 線性動量 2. 角動量 四.光的線性動量實驗 1. 實驗預(yù)習(xí)和

3、基礎(chǔ) 2. 實驗內(nèi)容 五.結(jié)束語 一. 光的力學(xué)效應(yīng)歷史與未來 光-動量- 光壓-力 1616年開普勒-提出光壓的概念 - 從光的粒子性觀念出發(fā)具有一定動量的光子入射到物體上時無論是被吸收或反射，光子的動量都會發(fā)生變化，因而必然會有力作用在物體上，這種作用力我們通常稱為光壓。 康普頓效應(yīng) 歷史上，康普頓效應(yīng)是光子學(xué)說的重要實驗依據(jù)，也是光子具有動量的直接證明。 典型的例子有X光的康普頓散射。 1923年美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線光子與自由電子之間的彈性碰撞，解釋了實驗觀察到的各種現(xiàn)象。在這一彈性碰撞過程中，光子與電子相互作用，不僅要遵循能量守恒定律，而且要遵循動量守恒定律。 光子具有動量，

4、這在一些研究物質(zhì)微觀過程中起著重要的作用。 為什么我們感受不到光的壓力？ 單個光子動量很小: ?27?km?m/10/sP?h 烈日:1達(dá)因/平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬分之一 普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！ 光子密度低，方向性差！ 實驗觀測和測量極其困難！ 1960年激光問世： -高的光子流密度的激光束 方向性好，高亮度 光的力學(xué)效應(yīng)能夠得到充分 展示10mw的 He-Ne 激光，亮度是太陽的一萬倍！ 會聚光束的焦點處 1 微米小球受到的力可達(dá)10-6牛頓。 光的力學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)入了一個全新的時代！ 光的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用： 1 光與微觀粒子的相互作用 原子的激光冷卻和捕陷- 1997年 諾貝爾物理學(xué)獎

5、 S. 朱棣文 C,C,達(dá)諾基 W,D,菲利浦斯 玻色愛因斯坦凝聚的研究- 2001年 諾貝爾物理學(xué)獎 克特勒 W.康奈爾 E.A.維曼C.E.2 光的宏觀力學(xué)效應(yīng) 世界上最大的功率和能量密度： 激光輸出脈沖功率已經(jīng)超過1016w； 聚焦強(qiáng)度達(dá)81013/cm2； 可產(chǎn)生億度以上的高溫, 能焊接、加工和 切割最難熔的材料 光壓-世界上最高的壓強(qiáng)： 相應(yīng)的電場強(qiáng)度可達(dá) 1021w/cm2； 相應(yīng)的光壓時達(dá) 31011 大氣壓 3.光與微小的宏觀粒子的相互作用 光 鑷 -單光束梯度力光阱 1986 A.Ashkin 使用高度會聚光束產(chǎn)生的非均勻光場，造成梯度力勢阱光鑷誕生了！ 光鑷是什么？ 光鑷

6、- Optical tweezers 用光做的鑷子？ 光鑷如何抓取物體 ？ 光鑷力有多大？ 光鑷的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用？ 二. 光鑷技術(shù) 1 原理 2 特點 3 功能 4 應(yīng)用 煙草細(xì)胞在光鑷的操控下定向運動光鑷的原理 梯度力光阱原理 nn1-小球/液體的折射率 一對典型的光線a和b經(jīng)折射后產(chǎn)生力Fa和Fb， 其矢量和F是指向焦點f 處,當(dāng)小球的球心O和焦點f 間有偏離時，F(xiàn)a和Fb的,合力F總是使小球趨向焦點f處，力F是回復(fù)力。 只有光場的梯度大到能保證焦點附近的梯度力大于散射力時才能形成一個三維光學(xué)勢阱而穩(wěn)定地捕獲微。 微米粒子1光鑷操控 光鑷 光陷阱 光鑷操控微粒的現(xiàn)象 尤如宇宙黑洞或吸塵器將

7、微粒吸入無底的深淵。 阱域、阱深和阱力 對于微小的粒子/細(xì)胞,幾十納米-幾十微米，光的力學(xué)效應(yīng)還是非常大的?？梢悦黠@看到光阱周邊的粒子以很快的速度/加速度墜入阱中被囚禁，操控的速度相當(dāng)?shù)目臁?光鑷基本操控方法 微米-光鑷操縱微粒的尺度：納米 光鑷力有多大 ？ ?15?12)10)?fN(10pN( 1 fN/人60億 - 1根發(fā)絲 -細(xì)胞，單分子間的相互作用力 傳遞微小力的使者 -微小力的探針！ 光鑷- 一種特殊的光場形成的光勢阱, 它是用光形成的鑷子! 光鑷具有機(jī)械鑷子抓取物體的功能,是類比機(jī)械鑷子形象的稱呼。 光鑷/光學(xué)鑷子/光學(xué)勢阱/ 單光學(xué)梯度力勢阱 光鑷的特點 研究個體行為的工具！

8、應(yīng)用都是基于對單個微粒的捕獲與操控。 自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個體行為的群體效應(yīng)，因此，解釋宏觀自然現(xiàn)象就需要獲取單個微粒個體行為信息。能夠?qū)嵤蝹€微粒的操控正是研究個體行為的首要條件。 對單個活體生物以非接觸的遙控方式，實施無損無菌操控；實時動態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測量。 生命科學(xué)家可以挑選所需要的特定活細(xì)胞來觀察它的個體行為，研究特定的細(xì)胞間相互作用的基 本過程。光鑷提供了對生命活動的基本過程的研究所具有的高度選擇性是傳統(tǒng)研究方法不可比擬的。光具有的穿透特性，使得光鑷有隔墻取物之功能。即光鑷可以無阻擋越過屏障，穿過透明封閉系統(tǒng)的表層（細(xì)胞膜）操控其內(nèi)部微粒（細(xì)胞器），也可以透過封閉的樣

9、品池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實現(xiàn)真正的無菌操作。機(jī)械鑷子望塵莫及！ 光鑷操控的可視性。光鑷使細(xì)胞懸浮于液體中所指定的位置，其四周沒有遮擋，完全暴露在我們視野中，研究者提供了極大的方便。 光鑷系統(tǒng)實時顯示，完整保留活體細(xì)胞和大分子生命活動，能反應(yīng)體系作用過程的特性是其它方法所不具備的。 光鑷是微小力的探針，類似彈簧。 光鑷能夠操控粒子，實際上是光鑷向微粒施加了作用力。 光鑷能實時感應(yīng)微小的負(fù)荷(fN)，是極其靈敏的力傳感器。 光鑷是揭示生命過程中物質(zhì)輸運、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞規(guī)律的研究工具。 光鑷的應(yīng)用: 生命科學(xué)-操控，動力學(xué)研究 解讀生命運動規(guī)律 微納器件-操控，排布，組裝，表征 新材料和功能器

10、件制造 分散體系-微粒間相互作用 宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理探索 光力學(xué)教學(xué)線性動量，角動量 認(rèn)知光的基本屬性 光鑷應(yīng)用生物大分子的動力學(xué)研究 生命過程運動力 運動-位移/速度， -力，大小/方向， -結(jié)合/分離 -相互作用 特性-結(jié)構(gòu)和功能 力學(xué)量是表征生命過程的重要參量！ 單分子水平上探索生命運動的規(guī)律！ 國際前沿發(fā)展趨勢 光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子,十幾年來已突破了許多“禁區(qū)”；人類首次實際測量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的原動力肌肉運動的原始動力過程-驅(qū)動蛋白分子吸收一個ATP能量后的分布運動狀態(tài)，運動步長為8納米。 國際研究成果舉例 Nature 生物大分子 精細(xì)操作 雙光鑷對肌動蛋白進(jìn)行

11、打結(jié)。 研究其運動特性,光鑷控制粘有肌動蛋白的小球接觸微管Science 光鑷研究DNA折疊動力學(xué)過程研究 光鑷研究DNA的縮合及解開 光鑷已成為研究DNA動力學(xué)的不可或缺的工具 光鑷的應(yīng)用研究/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科大 細(xì)胞膜彈性的測量 /形狀由橢圓變成橄欖型光鑷牽拉血紅細(xì)胞膜 單細(xì)胞融合 煙草細(xì)胞原生質(zhì)體的融合 光鑷操控單細(xì)胞融合實驗方法 光鑷分選單條染色體 水稻細(xì)胞 - 熒光標(biāo)記 - 細(xì)胞殘核 - 條染色體群 光鑷操控單粒子 微米粒子穩(wěn)定的空間排布 48個2微米聚苯乙烯小球組合而成 光鑷在三維空間排布微粒 分散體系中微粒的聚集通常都是隨機(jī)的。用逐個操控單個粒子的方法。按設(shè)定要求排布出具有穩(wěn)定

12、空間結(jié)構(gòu)的粒子聚集體。 納微器件，微機(jī)械，生物器件的組裝和表征 建立了光鑷研究單分子力學(xué)行為的實驗方法 三. 創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)教學(xué)實驗的意義 1 光的動量是光的基本屬性之一-認(rèn)知光的基本屬性 2. 光的力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用是當(dāng)今科學(xué)研究的前沿問題，是多學(xué)科交叉的基礎(chǔ) 3. 填補(bǔ)教學(xué)空白 光的力學(xué)效應(yīng)實驗的歷史回顧 1616年 開普勒提出光壓的概念 1873年 麥克斯韋用電磁波的理論 證明了光壓的存在， 具體計算了光的壓力。 年1895 光壓的實驗證明 列別捷夫扭秤實驗裝置 創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)實驗的意義 普通光源- 光的力學(xué)性質(zhì)的研究受到限制。 歷史以來物理教科書上對光子的動量這一重要屬性僅作簡略的知

13、識介紹。 從對光的認(rèn)知和物理教學(xué)體系來講這是一個非常大的缺憾，是知識的空白點。 光鑷是光的力學(xué)效應(yīng)的典范 光鑷是利用光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)這一原理而實現(xiàn)的。 光鑷的發(fā)明為直觀生動地演示光的力學(xué)效應(yīng)提供了極好的手段。 作者基于863科研成果，利用光鑷技術(shù)1999年首次開設(shè)了直觀演示和測量光的力學(xué)效應(yīng)的實驗。 開展光的力學(xué)效應(yīng)的教學(xué)目的： 完善知識結(jié)構(gòu)培養(yǎng)符合時代需要的人才 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要普及和掌握新技術(shù) 物理學(xué)領(lǐng)域理解光的力學(xué)效應(yīng) 對光的本質(zhì)的認(rèn)知和研究 非物理學(xué)領(lǐng)域 了解光鑷技術(shù)和特點 學(xué)習(xí)光鑷儀器的操作和使用 開拓光鑷技術(shù)的應(yīng)用 促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展！,宣傳新技術(shù),傳播知識四 光的

14、線性動量實驗 實驗?zāi)康?加深對光具有動量基本屬性的認(rèn)識，感知光的力學(xué)效應(yīng)，了解光鑷技術(shù)。 (預(yù)備知識,實驗預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)效果檢查) 實驗的特殊性如何進(jìn)入角色 一.實驗裝置 二.實驗內(nèi)容 三. 思考題- 四. 附錄 實驗預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備 實驗基礎(chǔ)：光學(xué)，顯微鏡的使用, 首先閱讀實驗講義，理解實驗?zāi)康暮驮恚涣私夤鈱W(xué)微操作儀的功能和儀器的操作要領(lǐng)，希望在具體的實驗研究工作中注意掌握操作要領(lǐng)。 在實驗中要用心感受光鑷的力學(xué)效應(yīng)，仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象, 體會顯微操作技巧，領(lǐng)略光鑷技術(shù)巧奪天工之神奇,將有助于你把握光鑷技術(shù)和順利完成實驗。 實驗前的心理準(zhǔn)備 光鑷微操作儀是用于對微小的宏觀粒子進(jìn)行操控的設(shè)備.一個人眼看

15、不見的細(xì)胞通過光學(xué)放大呈現(xiàn)在我們眼前，本實驗帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個未知的微觀世界！ 我們要用光鑷來搬運這些微小的細(xì)胞，希望它們能夠按照我們的意志運動，我們必須具備操控精度達(dá)微米級的能力。操作是極其精致的！實驗具有挑戰(zhàn)性！ 微米級的操控需要良好的穩(wěn)定環(huán)境，工作時請不要磕碰防震臺，心靜手穩(wěn) ，動作輕巧。用你的智慧和心靈把握光鑷這個無形的機(jī)械手，你將能夠自如的遨游在微觀世界！ 光鑷操控的原理和方法 操控物體并使之運動-具備能夠產(chǎn)生相對的運動的條件 本實驗設(shè)計:光鑷靜止,光鑷操控細(xì)胞所在環(huán)境運動 光捕獲 被光鑷捕獲的粒子與環(huán)境產(chǎn)生相對運動,帶動樣品池運動V顯微鏡平臺以速度: 方法 顯微鏡平臺 光鑷力的測量原

16、理和方法 流體力學(xué)方法Stokes公式: ?R?6F 其中為液體粘滯系數(shù)，R為微粒的半徑，當(dāng)速度增加到Vmax時,細(xì)胞將脫離光鑷的束縛離開光阱,此Vmax為細(xì)胞的逃逸速度。 LOT-光鑷微操作儀 實驗裝置和光路 1.光鑷光源，2.光學(xué)耦合器，3.全反射鏡，4.雙向分束板，5.會聚透鏡/高倍物鏡，6.樣品臺，7.樣 圖象顯示與處理11,12.數(shù)碼攝影頭，10.激光濾波片，9.樣品照明電源，8.品池， 光的力學(xué)效應(yīng)實驗光路圖 光鑷系統(tǒng)的參數(shù) 光鑷光源780nm，功率100mW m 酵母細(xì)胞直徑約 5物鏡可調(diào)范圍10mm,微調(diào)最小分度2m每小格 系統(tǒng)放大約4000 倍 平臺調(diào)節(jié)范圍：110mm 70

17、mm 視頻圖像每六個像素為1m 每兩幀圖像之間的時間間隔為1/15秒 靜態(tài)和動態(tài)顯微圖象實時顯示,記錄,回放 計算配套軟件Lasertrap Lasertrap 光鑷系統(tǒng)實驗配套軟件 實驗用樣品和附件 儀器部件的功能和操作指南 注意：緩慢調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)旋鈕,電流最大值不要超過“0080” 物鏡調(diào)節(jié)手輪的調(diào)節(jié)方法 粗調(diào)手輪。微調(diào)手輪 FFFF錯誤調(diào)節(jié)正確調(diào)節(jié)物鏡微調(diào)、粗調(diào)手輪用于控制物鏡升降正確調(diào)節(jié)：均勻旋轉(zhuǎn)，切向受力錯誤調(diào)節(jié)：徑向受力，影響儀器穩(wěn)定性 油浸物鏡的使用 ,油入物鏡后緩慢上升物鏡。 提示：油不能滴太多，不能讓油瓶嘴觸到物鏡頭。 顯微成像調(diào)節(jié)與光鑷位置的觀察 樣品制備 先把空樣品池置于

18、樣品臺上，加入適量樣品溶液（如上圖）注意不要使樣品溢出樣品池口。 調(diào)節(jié)物鏡，使樣品池底面（底玻片的上表面也即溶液的底層）成像。 提示：樣品的濃度按實驗的需要隨時進(jìn)行調(diào)整 光的力學(xué)效應(yīng)線性動量-實驗內(nèi)容 1 光陷阱效應(yīng)實驗 2 光鑷在橫向操控微粒實驗 3 光鑷在縱向操控微粒實驗 4 最大光阱力的流體力學(xué)測量法實驗 5 光阱力和光功率的關(guān)系實驗（選做實驗） 6 縱向逃逸力的測量實驗（選做實驗） 微米小球的排布（設(shè)計型實驗） 71 光陷阱效應(yīng)實驗 通過移動樣品臺，使視場中某個微粒接近光阱，靜態(tài)觀察粒子陷入光阱的過程和捕獲粒子的能力，記錄在沒有外力作用的情況下粒子自己陷入光阱前后的位置，計算光阱的作用

19、力范圍，即阱域的大小。 2 光鑷在橫向操控微粒實驗 利用光鑷在X-Y平面自由操控粒子，觀察動態(tài)過程 3 光鑷在縱向操控微粒實驗 光鑷捕獲了一微粒，升降物鏡改變光阱在縱向的位置，被捕獲的粒子也隨之沉浮，這時它的像依然清晰，而原先與其在同一層面的粒子，圖像變得逐漸模糊，表明光鑷實現(xiàn)了對粒子的縱向操控。 4 最大光阱力的流體力學(xué)測量實驗 流體力學(xué)中的Stokes公式： ?rv6F? maxmax其中為粘滯系數(shù)，r為微粒的半徑，Vmax為逃逸速度。 測量微粒的逃逸速度。F -光阱操縱微粒相對流體運動時，微粒將受到液體的粘滯阻力阱力的測量與圖象分析1 操控樣品臺，用光鑷捕獲一個酵母細(xì)胞(左圖)。點擊視頻

20、捕捉中的錄像鍵，開始錄像。再移動樣品臺，緩慢加速直至小球逃逸，在小球逃逸后停止錄像。 用分析錄像軟件打開所錄制的圖像(右圖) 。把視圖中小球完全逃逸的一幀圖像定為標(biāo)定幀 。 阱力的測量 與圖象分析2 分析顯微攝像，截取微粒剛逃出光阱時連續(xù)兩幅圖象，通過兩幅圖象中微粒的位移和截取兩幅的時間間隔，得到微粒逃出光阱時的瞬時速度，然后用這瞬時速度計算光阱的最大阱力。 實驗結(jié)果 m，每幀圖像之間的間隔為1/15秒，實測環(huán)境溫度，通過根據(jù)已知條件：移動距離為6 個像素為1查 “T-”表得到粘滯系數(shù)， 計算求得：酵母細(xì)胞的大小在一定光功率下阱域的范圍 縱向阱深細(xì)胞的逃逸速度，此刻對應(yīng)的光鑷力（選做實驗和設(shè)計型實驗略）。 學(xué)生反響（學(xué)生實驗報告選摘） 通過本實驗，使我們對學(xué)光的力學(xué)效應(yīng)，尤其是激光