自制“望遠鏡顯微鏡演示裝置”

劉聰　孫長平　周學云　崔寶陽

【摘 要】自制“望遠鏡顯微鏡演示裝置”集望遠鏡、顯微鏡集于一體，獨創半封閉式的鏡筒結構，能將抽象的原理用事物實物化，在教學過程中讓學生不僅能夠很好的理解望遠鏡、顯微鏡的結構原理及成像原理，而且具有操作簡單、易攜帶、實驗效果明顯等優點，能夠很好的用于教學之中。

【關鍵詞】望遠鏡；顯微鏡；半封閉式演示；剖面鏡筒

目前在教學工作中，傳統的望遠鏡、顯微鏡實驗裝置需要組裝兩套裝置來演示顯微鏡、望遠鏡成像原理，在實驗中的鏡片放置需要精心安排，導致學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鏡的內部原理，影響教學效果。自制“望遠鏡顯微鏡演示裝置”針對傳統望遠鏡、顯微鏡實驗裝置的不足，能將抽象的原理用事物實物化，集望遠鏡、顯微鏡集于一體，設計一種在教學中容易理解內部原理、操作簡單、易攜帶、實驗效果明顯等優點演示裝置，解決了學生在實驗中對望遠鏡、顯微鏡的結構原理、成像原理理解不夠深入、組裝裝置費時費力、注意力不集中等問題，極大地提高了課堂效率。

1 演示裝置的設計原理

望遠鏡是一種利用透鏡或反射鏡以及其他光學器件觀測遙遠物體的光學儀器；光學顯微鏡是利用光學原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細結構信息的光學儀器。圖1為望遠鏡的理論設計圖[1]，利用了平行光、過鏡心、過焦點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，即將遠處的物體AB成縮小像AB于附近，再通過一個凸透鏡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”，即將遠處的物體放大了，根據其原理可設計出望遠鏡（開普勒型）演示裝置。圖2為顯微鏡的理論設計圖[1]，由凸透鏡成象規律知，只要把物體放在一倍焦距以內，成放大正立虛象，從圖2可以直觀知道物體CD放置在第一個凸透鏡L1（物鏡）的一倍焦距以外，二倍焦距以內，成一倒立放大實像CD，調節第二個凸透鏡L2（目鏡）。使該象在其一倍焦距以內，經其成放大虛像C”D”，眼睛通過凸透鏡L2（目鏡）可以觀察到象C”D”，根據其原理可設計出顯微鏡演示裝置。

自制“望遠鏡顯微鏡演示裝置”基于望遠鏡和顯微鏡的設計原理，將兩者結合起來設計為一個裝置，該演示裝置在教學中既可以作為望遠鏡演示也可以作為顯微鏡演示用，其設計示意圖如圖3所示。我們首次設計了一個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，為了讓能夠從鏡筒外部觀察及調節鏡片的移動。在設計中，我們在半圓鏡筒的斜棱角處與半圓筒內壁處鑿開了一個可以穿插螺絲的孔徑，以便于進行移動鏡片的操作，且在鏡筒外側表上刻度，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、結實耐用、美觀大方等優點，因此我們裝置的制作材料采用了不銹鋼模具，在機械加工廠中按照圖3的設計示意圖制作。

2 演示裝置的操作方法

圖4 演示裝置實物圖

自制“望遠鏡顯微鏡演示裝置”的實物圖如圖4所示，包括：鏡架支框（安裝指針），半封閉式的鏡筒結構（標有刻度尺），裝置支架（底座）。鏡架支框的內側和外側開一個連通的安裝螺絲的通道，螺絲通過開的孔，在內側與鏡片連接，在外側與一個指針連接，以方便于讀數和能夠從外側自由調整鏡片的位置；支框外側的指針上方有一刻度尺，以方便于記錄數值；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、移動和拆卸。演示時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，望遠鏡的放大倍數的數值通常用物鏡焦距與目鏡焦距之比計算，在教學演示中，數值上開普勒型的望遠鏡保證物鏡（凸透鏡）的焦距大于目鏡（凸透鏡）的焦距，伽利略型的望遠鏡保證物鏡（凸透鏡）的焦距大于目鏡（凹透鏡）的焦距，通過調節兩透鏡之間的距離，觀察遠處物體放大的像，根據光學原理[2，3]在理論上可以計算出物體、物鏡和目鏡之間的距離，與從半圓形鏡筒的標度中可以讀出的數值進行比較，找出差異原因，能夠讓學生更（下轉第44頁）（上接第36頁）加深入的理解望遠鏡的成像原理，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行與望遠鏡相似的操作，與望遠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鏡演示裝置倒過來觀察，這樣就把開普勒望遠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

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

【參考文獻】

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

[2]鐘錫華.現代光學基礎[M].北京：北京大學出版社，2003.

[3]姚啟鈞.光學教程（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

[責任編輯：田吉捷]endprint