大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-光的力學(xué)效應(yīng)系列實(shí)驗(yàn)

光的力學(xué)效應(yīng)-系列實(shí)驗(yàn)TOC\o"1-3"\h\u16838主要內(nèi)容 126198一光的力學(xué)效應(yīng)－歷史與未來(lái) 214940二光鑷技術(shù) 424093三創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義 149362四 光的線性動(dòng)量實(shí)驗(yàn) 1618553五實(shí)驗(yàn)小結(jié) 244512六結(jié)束語(yǔ) 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(dòng)量（線性動(dòng)量和角動(dòng)量）,光與物體相互作用時(shí)彼此交換能量和動(dòng)量. 光子能量:光子動(dòng)量:光的動(dòng)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(duì)光的認(rèn)識(shí)也越來(lái)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)生的各種現(xiàn)象光的熱學(xué)效應(yīng):光與物體相互作用時(shí)物體的溫度發(fā)生變化.—常見(jiàn)現(xiàn)象光的力學(xué)效應(yīng):光與物質(zhì)間交換動(dòng)量，使受光照射的物體獲得一個(gè)力或力矩,物體發(fā)生位移,速度和角度的變化.—難以察覺(jué)(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(lái)1.光-動(dòng)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(diǎn)和功能3.應(yīng)用列舉三.創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)系列實(shí)驗(yàn)的意義1.線性動(dòng)量2.角動(dòng)量四.光的線性動(dòng)量實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和基礎(chǔ)2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五.結(jié)束語(yǔ)一.光的力學(xué)效應(yīng)－歷史與未來(lái)光動(dòng)量光壓力1616年開(kāi)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(dòng)量的光子入射到物體上時(shí)無(wú)論是被吸收或反射，光子的動(dòng)量都會(huì)發(fā)生變化，因而必然會(huì)有力作用在物體上，這種作用力我們通常稱為光壓?？灯疹D效應(yīng)歷史上，康普頓效應(yīng)是光子學(xué)說(shuō)的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也是光子具有動(dòng)量的直接證明。典型的例子有X光的康普頓散射。1923年美國(guó)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(shí)驗(yàn)觀察到的各種現(xiàn)象。在這一彈性碰撞過(guò)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(dòng)量守恒定律。光子具有動(dòng)量，這在一些研究物質(zhì)微觀過(guò)程中起著重要的作用。為什么我們感受不到光的壓力？單個(gè)光子動(dòng)量很小:烈日:1達(dá)因/平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬(wàn)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)和測(cè)量極其困難！1960年激光問(wèn)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(yáng)的一萬(wàn)倍！會(huì)聚光束的焦點(diǎn)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(gè)全新的時(shí)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(jiǎng)S.朱棣文C,C,達(dá)諾基W,D,菲利浦斯玻色－愛(ài)因斯坦凝聚的研究2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)C.E.維曼E.A.康奈爾W.克特勒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(guò)1016w；聚焦強(qiáng)度達(dá)8×1013ν/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(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)1021w/cm2；相應(yīng)的光壓時(shí)達(dá)3×1011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1986A.Ashkin使用高度會(huì)聚光束產(chǎn)生的非均勻光場(chǎng)，造成梯度力勢(shì)阱光鑷誕生了！光鑷是什么？光鑷--Opticaltweezers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(diǎn)3功能4應(yīng)用煙草細(xì)胞在光鑷的操控下定向運(yùn)動(dòng)光鑷的原理梯度力光阱原理n>n1-小球/液體的折射率一對(duì)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(diǎn)f處,當(dāng)小球的球心O和焦點(diǎn)f間有偏離時(shí)，F(xiàn)a和Fb的,合力F總是使小球趨向焦點(diǎn)f處，力F是回復(fù)力。只有光場(chǎng)的梯度大到能保證焦點(diǎn)附近的梯度力大于散射力時(shí)才能形成一個(gè)三維光學(xué)勢(shì)阱而穩(wěn)定地捕獲微。光鑷操控1微米粒子光鑷–光陷阱—光鑷操控微粒的現(xiàn)象尤如宇宙黑洞或吸塵器將微粒吸入無(wú)底的深淵。阱域、阱深和阱力對(duì)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?。光鑷—基本操控方法光鑷操縱微粒的尺度：納米-微米光鑷力有多大？1fN/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(chǎng)形成的光勢(shì)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(shì)阱/單光學(xué)梯度力勢(shì)阱光鑷的特點(diǎn)研究個(gè)體行為的工具?。?！應(yīng)用都是基于對(duì)單個(gè)微粒的捕獲與操控。自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個(gè)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(gè)微粒個(gè)體行為信息。能夠?qū)嵤?duì)單個(gè)微粒的操控正是研究個(gè)體行為的首要條件。對(duì)單個(gè)活體生物以非接觸的遙控方式，實(shí)施無(wú)損無(wú)菌操控；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測(cè)量。生命科學(xué)家可以挑選所需要的特定活細(xì)胞來(lái)觀察它的個(gè)體行為，研究特定的細(xì)胞間相互作用的基本過(guò)程。光鑷提供了對(duì)生命活動(dòng)的基本過(guò)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(wú)阻擋越過(guò)屏障，穿過(guò)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(guò)封閉的樣品池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)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(méi)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(shí)時(shí)顯示，完整保留活體細(xì)胞和大分子生命活動(dòng)，能反應(yīng)體系作用過(guò)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(shí)際上是光鑷向微粒施加了作用力。光鑷能實(shí)時(shí)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(guò)程中物質(zhì)輸運(yùn)、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(dòng)力學(xué)研究解讀生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律微納器件--操控，排布，組裝，表征新材料和功能器件制造分散體系--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(dòng)量，角動(dòng)量認(rèn)知光的基本屬性光鑷應(yīng)用—生物大分子的動(dòng)力學(xué)研究生命過(guò)程—運(yùn)動(dòng)—力運(yùn)動(dòng)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(guò)程的重要參量！單分子水平上探索生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律！國(guó)際前沿發(fā)展趨勢(shì)光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子,十幾年來(lái)已突破了許多“禁區(qū)”；人類首次實(shí)際測(cè)量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的原動(dòng)力—肌肉運(yùn)動(dòng)的原始動(dòng)力過(guò)程--驅(qū)動(dòng)蛋白分子吸收一個(gè)ATP能量后的分布運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為8納米。國(guó)際研究成果舉例Nature生物大分子精細(xì)操作雙光鑷對(duì)肌動(dòng)蛋白進(jìn)行打結(jié)。Science光鑷控制粘有肌動(dòng)蛋白的小球接觸微管,研究其運(yùn)動(dòng)特性光鑷研究DNA折疊動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究光鑷研究DNA的縮合及解開(kāi)光鑷已成為研究DNA動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具光鑷的應(yīng)用研究/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科大細(xì)胞膜彈性的測(cè)量光鑷牽拉血紅細(xì)胞膜/形狀由橢圓變成橄欖型單細(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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)操控單個(gè)粒子的方法。按設(shè)定要求排布出具有穩(wěn)定空間結(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(shí)驗(yàn)方法三.創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義1． 光的動(dòng)量是光的基本屬性之一認(rèn)知光的基本屬性光的力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用是當(dāng)今科學(xué)研究的前沿問(wèn)題，是多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)填補(bǔ)教學(xué)空白光的力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的歷史回顧1616年 開(kāi)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(jì)算了光的壓力。1895年 光壓的實(shí)驗(yàn)證明列別捷夫扭秤實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)建光的力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(lái)物理教科書(shū)上對(duì)光子的動(dòng)量這一重要屬性僅作簡(jiǎn)略的知識(shí)介紹。從對(duì)光的認(rèn)知和物理教學(xué)體系來(lái)講這是一個(gè)非常大的缺憾，是知識(shí)的空白點(diǎn)。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(shí)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)這一原理而實(shí)現(xiàn)的。光鑷的發(fā)明為直觀生動(dòng)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(kāi)設(shè)了直觀演示和測(cè)量光的力學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。開(kāi)展光的力學(xué)效應(yīng)的教學(xué)目的：完善知識(shí)結(jié)構(gòu)培養(yǎng)符合時(shí)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(duì)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(diǎn)學(xué)習(xí)光鑷儀器的操作和使用開(kāi)拓光鑷技術(shù)的應(yīng)用傳播知識(shí),宣傳新技術(shù),促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展！四 光的線性動(dòng)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?加深對(duì)光具有動(dòng)量基本屬性的認(rèn)識(shí)，感知光的力學(xué)效應(yīng)，了解光鑷技術(shù)。(預(yù)備知識(shí),實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)效果檢查)實(shí)驗(yàn)的特殊性—如何進(jìn)入角色一.實(shí)驗(yàn)裝置二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三.思考題--四.附錄實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光學(xué)，顯微鏡的使用,首先閱讀實(shí)驗(yàn)講義，理解實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)研究工作中注意掌握操作要領(lǐng)。在實(shí)驗(yàn)中要用心感受光鑷的力學(xué)效應(yīng)，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,體會(huì)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前的心理準(zhǔn)備光鑷微操作儀是用于對(duì)微小的宏觀粒子進(jìn)行操控的設(shè)備.一個(gè)人眼看不見(jiàn)的細(xì)胞通過(guò)光學(xué)放大呈現(xiàn)在我們眼前，本實(shí)驗(yàn)帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)未知的微觀世界！我們要用光鑷來(lái)搬運(yùn)這些微小的細(xì)胞，希望它們能夠按照我們的意志運(yùn)動(dòng)，我們必須具備操控精度達(dá)微米級(jí)的能力。操作是極其精致的！實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性！微米級(jí)的操控需要良好的穩(wěn)定環(huán)境，工作時(shí)請(qǐng)不要磕碰防震臺(tái)，心靜手穩(wěn)，動(dòng)作輕巧。用你的智慧和心靈把握光鑷這個(gè)無(wú)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(yùn)動(dòng)具備能夠產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)的條件本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):光鑷靜止,光鑷操控細(xì)胞所在環(huán)境運(yùn)動(dòng)光捕獲方法:顯微鏡平臺(tái)以速度V帶動(dòng)樣品池運(yùn)動(dòng),被光鑷捕獲的粒子與環(huán)境產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)顯微鏡平臺(tái)光鑷力的測(cè)量原理和方法流體力學(xué)方法Stokes公式:其中η為液體粘滯系數(shù)，R為微粒的半徑，當(dāng)速度增加到Vmax時(shí),細(xì)胞將脫離光鑷的束縛離開(kāi)光阱,此Vmax為細(xì)胞的逃逸速度。LOT光鑷微操作儀實(shí)驗(yàn)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(huì)聚透鏡/高倍物鏡，6.樣品臺(tái)，7.樣品池，8.樣品照明電源，9.激光濾波片，10.數(shù)碼攝影頭，11,12.圖象顯示與處理光的力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路圖光鑷系統(tǒng)的參數(shù)光鑷光源780nm，功率100mW酵母細(xì)胞直徑約5μm物鏡可調(diào)范圍10mm,微調(diào)最小分度2μm每小格系統(tǒng)放大約4000倍平臺(tái)調(diào)節(jié)范圍：110mm×70mm視頻圖像每六個(gè)像素為1μm每?jī)蓭瑘D像之間的時(shí)間間隔為1/15秒靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯微圖象實(shí)時(shí)顯示,記錄,回放計(jì)算配套軟件Lasertrap光鑷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)配套軟件－Lasertrap實(shí)驗(yàn)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(guò)“0080”物鏡調(diào)節(jié)手輪的調(diào)節(jié)方法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樣品臺(tái)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(shí)驗(yàn)的需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整光的力學(xué)效應(yīng)線性動(dòng)量--實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1． 光陷阱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)2． 光鑷在橫向操控微粒實(shí)驗(yàn)3． 光鑷在縱向操控微粒實(shí)驗(yàn)4． 最大光阱力的流體力學(xué)測(cè)量法實(shí)驗(yàn)5． 光阱力和光功率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)（選做實(shí)驗(yàn)）6． 縱向逃逸力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)（選做實(shí)驗(yàn)）7． 微米小球的排布（設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)）1光陷阱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)移動(dòng)樣品臺(tái)，使視場(chǎng)中某個(gè)微粒接近光阱，靜態(tài)觀察粒子陷入光阱的過(guò)程和捕獲粒子的能力，記錄在沒(méi)有外力作用的情況下粒子自己陷入光阱前后的位置，計(jì)算光阱的作用力范圍，即阱域的大小。2光鑷在橫向操控微粒實(shí)驗(yàn)利用光鑷在X-Y平面自由操控粒子，觀察動(dòng)態(tài)過(guò)程3光鑷在縱向操控微粒實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子的縱向操控。4最大光阱力的流體力學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中的Stokes公式：其中η為粘滯系數(shù)，r為微粒的半徑，Vmax為逃逸速度。光阱操縱微粒相對(duì)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，微粒將受到液體的粘滯阻力F測(cè)量微粒的逃逸速度。阱力的測(cè)量與圖象分析1操控樣品臺(tái)，用光鑷捕獲一個(gè)酵母細(xì)胞(左圖)。點(diǎn)擊視頻捕捉中的錄像鍵，開(kāi)始錄像。再移動(dòng)樣品臺(tái)，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(kāi)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(cè)量與圖象分析2分析顯微攝像，截取微粒剛逃出光阱時(shí)連續(xù)兩幅圖象，通過(guò)兩幅圖象中微粒的位移和截取兩幅的時(shí)間間隔，得到微粒逃出光阱時(shí)的瞬時(shí)速度，然后用這瞬時(shí)速度計(jì)算光阱的最大阱力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)已知條件：移動(dòng)距離為6個(gè)像素為1μm，每幀圖像之間的間隔為1/15秒，實(shí)測(cè)環(huán)境溫度，通過(guò)查“T-η”表得到η粘滯系數(shù)，計(jì)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(duì)應(yīng)的光鑷力（選做實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)略）。學(xué)生反響（學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告選摘）通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，使我們對(duì)學(xué)光的力學(xué)效應(yīng)，尤其是激光有了更深刻的認(rèn)識(shí)，利用激光操控粒