八年级物理上册第五章透镜及其应用素材1：制作望远镜

制作望远镜［课题］制作望远镜［内容］学过了有关望远镜的一些知识.学生们也想用望远镜观看星象，迫切需要有一架天文望远镜，但是目前国内能买到望远镜的地方不是很多，而需要买到自己合适的也不很容易，所以最好的办法就是自己做一架，这也是一件非常有意义的事情.［过程］怎么制作呢？要想自制，首先要了解天文望远镜的光学性能？1.放大率与视场放大率是望远镜观看物体本领的一种光学性能，一般人认为，放大率越大看星象越清楚.放大率等于物镜焦距和目镜焦距之比，所以增大物镜的焦距同时减小目镜的焦距，能得到适当的放大率，然而如果放大率无限增大、物镜的口径没有同时增大，会导致光力越来越弱，用这样的望远镜观看景象，不仅不能增加观看细节的效果，反而难辨真实面目，与此同时用大倍率望远镜看到星象被放大了，使星象抖动的大气也随之放大，这样星象仿佛蒙上了一层跳荡的面纱，又不清楚了.所以，无限增大放大率，反而是费力不讨好，得不偿失.2.口径与分辨角世界上最大的天文台，都努力用最大口径望远镜观看天体，特别是探索暗弱天体的秘密，更是如此，望远镜的口径大小是个尺度，用它可以衡量天文台的工作能力.每架望远镜的观察的可能限度，取决于镜口的直径，它表示集光能力的不同，口径越大集光能力就越强，这种集光本领与物镜口径成反比，例如用60 cm镜进行观测时，假定眼睛瞳孔的直径是6 mm，我们对于所看到的星体的亮度放大率为10000倍，我们把望远镜所观测到的星等，叫做望远镜的“极限星等”.对于同一颗星，人的肉眼和望远镜看上去有相当的差别.望远镜最大能看到的极限星等M和口径D相关，经验公式：M=7.1+5log D(D以cm为单位）由此可以计算出10 cm的望远镜可以看到12等的星，不过这仅仅是理想公式.在实际观测中很难达到.原因是光在传播过程中有各种各样的损失；另外在城市里面观测，晚间受灯光干扰，会使计算的星等下降1~2个星等.望远镜还有另一个重要指标：角分辨率,定义为A，经验公式是：A=12″/D(角秒）D表示口径，单位为cm，从式中可以看出，口径越大，角分辨率越大，可以分辨更多细节.从上面的讨论可以看出，观测效果越好，所需望远镜的口径越大，但是口径越大制造越麻烦，所以建议刚刚开始磨制望远镜的朋友选择10 cm~30 cm比较合适.将来可以挑战更大口径.3.焦距与光力望远镜的焦距是指物镜的焦距，如牛顿式是单片凹面镜的焦距值；卡片是主镜和副镜的合成焦距，不管哪种望远镜，制成后的焦距是一个定值，一般焦距越大一定张角的天区在望远镜上的像越大，测量恒星的位置越能准确，观看有视面的星体，表面细微部分越清楚，比如，60 m以上焦距的望远镜，观看木星的像直径达15 mm（47″)，而用2 m焦距来看，只能看到0.5 mm直径的斑点，这样看来望远镜的焦距越长越好.但是，当望远镜口径一定时，如果焦距无限增加，看到的恒星表面光度变暗，影响效果，也就是说光力减弱.光力是指口径与焦距的比值，用A表示，即：A=D/f光力又叫做相对口径或简称焦比，从公式来看，焦距越长光力越弱，观看有视面天体细微部分效果变差，观看更弱天体则无能为力.因为观看景像最后要用眼睛，而人眼观看星像的亮暗程度，与光力A 的平方成比例，而望远镜制作时，要看望远镜所能担负的任务，选择合适的光力.在实际应用上，把光力的比值的倒数叫做相对焦距，如F 8表示焦距是口径的8倍，10 cm 口径，焦距为80 cm ；20 cm 口径时，焦距为160 cm ，一般观看月亮，行星的细部，望远镜光力可选择81~61之间，观看大范围的星云和星团光力可选择61~41之间. 结果：制作望远镜.材料：准备两个凸透镜，一个焦距比另一个稍大一些，分别与两个透镜尺寸差不多的大小硬纸筒，大纸筒可套进小纸筒，纸筒也可自己制作.制作：将焦距较大的透镜作为物镜，较小的作为目镜，分别将它们固定在大小两个纸筒中，如下图所示：使用：将物镜对准远处的物体，不断推拉小纸筒，直到看到清楚放大的像为止.原理：如下图所示，从远处物体射到物镜上的光线是平行的.经物镜后，在焦点外距焦点很近的地方，得到物体的倒立、缩小的像.目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合在一起的.所以实像位于目镜和它的焦点之间离焦点很近的地方，实像对于目镜来说是物体，它对于目镜所成的像是放大的虚像.这样，当我们对着目镜进行观察的时候，进入眼睛的光线就好像直接从这个放大的虚像射来的.为什么显微镜能够放大对于这个问题常常可以听到这样的回答：“因为它能像物理学教科书里所说的那样按照一定的方式改变光线的进路。

”但是这样的回答只说明了它的原因，还没有说出事实的本质。

那末显微镜和望远镜能够放大的基本原因究竟在哪里呢？它的基本原因，我不是从教科书里知道的，而是当我还是一个小学生的时候，有一次注意到了一种怎样想也想不通的极有趣的现象而偶然理解的。

我坐在关着的玻璃窗旁边，眼睛看着小胡同对面的一所房屋的砖墙。

突然我恐怖地躲开了。

原来我清楚地看见砖墙上有一只好几米宽的人眼在瞪着我……那时候我还没有读过刚才那个爱伦坡的故事，所以没有能够立刻理会到这只大眼睛就是我自己的眼睛在窗玻璃里的反映像，我把这个像看做是在很远的墙上，所以才把它估计得这么大。

猜透了这是怎么一回事以后，我就想能不能根据这种错觉的道理来制造显微镜。

后来我试验失败了，我才明白显微镜放大作用的本质并不在于它能使被观察的物体显得尺寸大些，而是在于使我们能够在比较大的视角里看物体，因而──这是最重要的一点──物体的像在我们眼睛的视网膜上能够占据比较大的位置。

为了明白视角的作用在这里为什么这样重要，我们应该先来说明一下眼睛的一个重要特点：每一个物体或者它的一部分，我们如果是在比一分小的视角里看它，那它对正常的眼睛说来，就会聚成一点，使我们既看不清它的形状，也分不清它一共有多少部分。

当一个物体离开我们眼睛的距离远到（或者物体本身小到）这样的程度，使这个物体的全部或一部分在我们眼睛里的视角比1分还小，这时候我们就不能分辨出它的结构上的细节了。

原因在于：在这样小的视角里，物体（或物体的任何一部分）在视网膜上的像不能同时接触到许多神经末梢，而只能全部落在一个感觉细胞上。

这时候，形状和结构上的细节都消失了──我们看到的只是一点。

显微镜和望远镜的作用是，它们能够改变所观察的物体发出的光线的进路，使我们能够在比较大的视角里看到这个物体。

结果，视网膜上的像就扩大到可以接触到更多的神经末梢，而我们也能分辨清楚物体的这些本来看起来是聚成一点的细节了。

“显微镜或望远镜放大100倍”这句话的意思是，我们通过这种仪器来看物体，视角要比没有它的时候大100倍。

假如光学仪器不能放大视角，那末虽说我们觉得看到的物体是变大了，其实并没有放大什么。

砖墙上的眼睛我觉得是很大的──但是，我不能在这个反映的像里看到比镜子里所能见到的更多一些的细节。

月亮离地平线近的时候，我们觉得它比起在半空中要大得多──但是在这个好像比较大的月面上，我们能够比它在高空的时候分辨清楚更多的、即使只是多一个的黑点吗？回头说那在爱伦坡的故事──《天蛾》里所描写的那种放大的情形，我们相信在这个放大了的天蛾的像里，也不能看出任何新的细节来。

无论是把这只天蛾的像放到很远的树林里，或是移近到窗框上，我们看它的时候角度都相同，视角并没有改变。

视角既然没有改变，那末这个物体的像，无论大得多么使你吃惊，也不能使你从里面看出什么新的细节来。

作为一个真正的艺术家，爱伦坡甚至在自己故事的这一点上，也是忠实于自然的。

不知道你有没有注意他是怎样描写森林里的“怪物”的。

在他所列举的天蛾的那些肢体里，没有一样是我们用肉眼观察天蛾的时候不能看到的新东西。

故事有意把天蛾描写了两次。

如果把它们拿来比较一下，你就会看出它们之间的区别只是在字句的表达上（直径大约是3～6米的金属片──有金属光泽的带色的小鳞片；两只笔直的大角棗触须；像野猪一样的长牙──长着柔毛的触角等等），至于肉眼所分辨不出的任何细节，在第一次描写里也没有提到。

如果显微镜的作用只是上面所说的那种放大，那它就只是一种玩具，对于科学毫无用处。

可是我们知道，实际的情况并不是这样。

显微镜在人类面前打开了一个新的世界，使我们天然视力的界限向前推进了一大步。

俄罗斯科学家罗蒙诺索夫在《谈玻璃的用处》里写道：尽管自然界赋予了我们锐利的目光──但是它的力量有一个很近的界限。

不知有多少生物由于身体微小，我们的目力怎么也看它不见！但是在现代，显微镜已经给我们揭露了肉眼看不见的、极小的生物的构造：它们用来维持生命力的肢体、关节、心脏、血管和神经是多么细小！小蠕虫的构造的复杂，并不比大海里的巨鲸差多少……显微镜所揭露的看不见的微粒，和身体里的细小血管，真是没完没了！现在我们已经可以明确地理解了：为什么爱伦坡故事里的观察者不能在怪蛾自己的身上看到的“秘密”，在显微镜里却能够看到。

把上面所讲的总结一下就知道，因为显微镜并不是简单地使我们看见物体的放大形态，它还能使我们在比较大的视角里看到这物体。

由于视角的加大，在我们眼睛的视网膜上就会出现物体的放大像。

这像能作用在数目更多的神经末梢上，使我们感官得到的个别视印象的数目加多。

说得简单一些，显微镜所放大的不是物体，而是它们在我们眼睛视网膜上的像。

很多人还不知道应该怎样看照片照相术还在19世纪40年代就渗进我们的生活里来了，虽然当时还只是用金属板来拍摄的（所谓银板照相法）。

这种拍照方法的最大缺点在于被拍的人一定要长时间坐在照相机前面──往往要坐上几十分钟……而群众对于可以不要画家就能够得到自己相片这一点，也认为过分新奇，而且近于奇迹，因此并没有很快就相信。

在一本古老的俄国杂志（1845年）上，对这个问题有一段极有趣的记述：许多人到现在还不肯相信银板照相法果真能够拍出照片来。

有一次，一位衣冠楚楚的人跑去拍照，店主人请他坐下来，校正了玻璃，装好一块板，看了看钟，就走开了。

店主人在室内的时候，这位想拍照的人一动不动地端坐在那里；但是，店主人刚一走出房门，这位客人为了急于看到自己的照片，认为没有继续端坐的必要，就站了起来，唤了嗅鼻烟，仔细看了看照相机的四面，把眼睛凑近到玻璃上，然后摇了摇头，说了声“这玩意儿真怪”，就在室内来回地踱起方步来。

店主人回来了，他吃惊地停在门旁边，喊了起来：“你怎么啦？我对你说过，要端坐在那里啊！”“是呀，我是坐着呀。

我只是在你出去之后才站起来的。

”“那时候你还是应该坐在那里的呀。

”“咦，我为什么要无缘无故地坐在那里呢？”读者一定以为我们现在对于照相已经不会有这样幼稚的看法了。

其实，即使在今天，许多人对照相还并没有多少了解，譬如说，就很少有人知道拍好的照片应该怎样看。

你一定以为这根本没有什么怎样看的问题：把照片拿在手上看就是了。