自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”

劉聰　孫長平　周學(xué)云　崔寶陽

【摘 要】自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”集望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡集于一體，獨(dú)創(chuàng)半封閉式的鏡筒結(jié)構(gòu)，能將抽象的原理用事物實(shí)物化，在教學(xué)過程中讓學(xué)生不僅能夠很好的理解望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理及成像原理，而且具有操作簡單、易攜帶、實(shí)驗(yàn)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的用于教學(xué)之中。

【關(guān)鍵詞】望遠(yuǎn)鏡；顯微鏡；半封閉式演示；剖面鏡筒

目前在教學(xué)工作中，傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置需要組裝兩套裝置來演示顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡成像原理，在實(shí)驗(yàn)中的鏡片放置需要精心安排，導(dǎo)致學(xué)生很難將注意力集中在裝置的原理上，不能夠直觀地理解顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部原理，影響教學(xué)效果。自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”針對傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置的不足，能將抽象的原理用事物實(shí)物化，集望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡集于一體，設(shè)計(jì)一種在教學(xué)中容易理解內(nèi)部原理、操作簡單、易攜帶、實(shí)驗(yàn)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)演示裝置，解決了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理、成像原理理解不夠深入、組裝裝置費(fèi)時(shí)費(fèi)力、注意力不集中等問題，極大地提高了課堂效率。

1 演示裝置的設(shè)計(jì)原理

望遠(yuǎn)鏡是一種利用透鏡或反射鏡以及其他光學(xué)器件觀測遙遠(yuǎn)物體的光學(xué)儀器；光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。圖1為望遠(yuǎn)鏡的理論設(shè)計(jì)圖[1]，利用了平行光、過鏡心、過焦點(diǎn)三條特殊光線作光路圖說明原理。若凸透鏡L1（物鏡）在觀察者附近，即將遠(yuǎn)處的物體AB成縮小像AB于附近，再通過一個(gè)凸透鏡L2（目鏡）觀察，并使縮小像與該透鏡距離小于一倍焦距，成放大的虛象A”B”，即將遠(yuǎn)處的物體放大了，根據(jù)其原理可設(shè)計(jì)出望遠(yuǎn)鏡（開普勒型）演示裝置。圖2為顯微鏡的理論設(shè)計(jì)圖[1]，由凸透鏡成象規(guī)律知，只要把物體放在一倍焦距以內(nèi)，成放大正立虛象，從圖2可以直觀知道物體CD放置在第一個(gè)凸透鏡L1（物鏡）的一倍焦距以外，二倍焦距以內(nèi)，成一倒立放大實(shí)像CD，調(diào)節(jié)第二個(gè)凸透鏡L2（目鏡）。使該象在其一倍焦距以內(nèi)，經(jīng)其成放大虛像C”D”，眼睛通過凸透鏡L2（目鏡）可以觀察到象C”D”，根據(jù)其原理可設(shè)計(jì)出顯微鏡演示裝置。

自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”基于望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的設(shè)計(jì)原理，將兩者結(jié)合起來設(shè)計(jì)為一個(gè)裝置，該演示裝置在教學(xué)中既可以作為望遠(yuǎn)鏡演示也可以作為顯微鏡演示用，其設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。我們首次設(shè)計(jì)了一個(gè)剖開的半圓形狀的不銹鋼鏡筒，既能夠讓鏡片底座能夠在鏡筒中方便移動(dòng)，為了讓能夠從鏡筒外部觀察及調(diào)節(jié)鏡片的移動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，我們在半圓鏡筒的斜棱角處與半圓筒內(nèi)壁處鑿開了一個(gè)可以穿插螺絲的孔徑，以便于進(jìn)行移動(dòng)鏡片的操作，且在鏡筒外側(cè)表上刻度，能夠通過刻度尺記錄鏡片的位置。由于不銹鋼制作的模具有耐腐蝕、結(jié)實(shí)耐用、美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，因此我們裝置的制作材料采用了不銹鋼模具，在機(jī)械加工廠中按照圖3的設(shè)計(jì)示意圖制作。

2 演示裝置的操作方法

圖4 演示裝置實(shí)物圖

自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”的實(shí)物圖如圖4所示，包括：鏡架支框（安裝指針），半封閉式的鏡筒結(jié)構(gòu)（標(biāo)有刻度尺），裝置支架（底座）。鏡架支框的內(nèi)側(cè)和外側(cè)開一個(gè)連通的安裝螺絲的通道，螺絲通過開的孔，在內(nèi)側(cè)與鏡片連接，在外側(cè)與一個(gè)指針連接，以方便于讀數(shù)和能夠從外側(cè)自由調(diào)整鏡片的位置；支框外側(cè)的指針上方有一刻度尺，以方便于記錄數(shù)值；底座采用一種特殊的螺絲與鏡架支框相連接，可以很方便地固定、移動(dòng)和拆卸。演示時(shí)首先將此凹槽固定于磁性底座上，選擇好適合的鏡片。在理論上，望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)的數(shù)值通常用物鏡焦距與目鏡焦距之比計(jì)算，在教學(xué)演示中，數(shù)值上開普勒型的望遠(yuǎn)鏡保證物鏡（凸透鏡）的焦距大于目鏡（凸透鏡）的焦距，伽利略型的望遠(yuǎn)鏡保證物鏡（凸透鏡）的焦距大于目鏡（凹透鏡）的焦距，通過調(diào)節(jié)兩透鏡之間的距離，觀察遠(yuǎn)處物體放大的像，根據(jù)光學(xué)原理[2，3]在理論上可以計(jì)算出物體、物鏡和目鏡之間的距離，與從半圓形鏡筒的標(biāo)度中可以讀出的數(shù)值進(jìn)行比較，找出差異原因，能夠讓學(xué)生更（下轉(zhuǎn)第44頁）（上接第36頁）加深入的理解望遠(yuǎn)鏡的成像原理，提高課堂效率。顯微鏡目鏡和物鏡都是凸透鏡，焦距不同，物鏡的凸透鏡焦距小于目鏡的凸透鏡的焦距。利用我們的裝置可以進(jìn)行與望遠(yuǎn)鏡相似的操作，與望遠(yuǎn)鏡演示不同之處在于物鏡的焦距和目鏡的焦距，也可以把開普勒型望遠(yuǎn)鏡演示裝置倒過來觀察，這樣就把開普勒望遠(yuǎn)鏡的目鏡與物鏡交換了，保證了顯微鏡演義裝置的要求，變成了顯微鏡演示裝置。

3 總結(jié)

自制“望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置”提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的用于調(diào)整不同鏡片改變光路的望遠(yuǎn)鏡顯微鏡演示裝置，采取了一種獨(dú)特的鏡架支框結(jié)構(gòu)，可以將鏡片按照我們的需要調(diào)整的框架是一種能夠很好地演示望遠(yuǎn)鏡顯微鏡的演示裝置。該裝置集望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡演示裝置于一體，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、演示效果直觀，簡單易學(xué)、制作方便、儀體積小、重量輕、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地幫助學(xué)生來理解望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的構(gòu)造及原理，可作為教具用于教學(xué)之中，能有效地輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋景萍，姚淙文，陳鋒，唐濤.望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡探究性教學(xué)思考[J].貴州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（12）：60-62.

[2]鐘錫華.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[3]姚啟鈞.光學(xué)教程（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint