第7节 通过透镜看世界

一、本节三维目标要求

1.知识和技能

Ø         知道望远镜、显微镜是由多个透镜组合而成的。

Ø         了解望远镜、显微镜的基本作用。

2、过程与方法

Ø         经历利用两个透镜组成望远镜的实践过程。

Ø         经历利用两个透镜组成显微镜的实验操作过程。

Ø         初步学习逆向、类比的物理思维方法。

3、情感、态度与价值观

Ø         激发学生对宇观世界和微观世界进行观测的兴趣。

Ø         增强学生的自然审美能力，培养热爱自然、热爱科学的情感。

Ø         进一步形成科学的认识观。

 

二、重点与难点

本节的重点是让学生利用凸透镜自行组装望远镜和显微镜的两个动手操作过程。

本节的难点在于如何启发并正确指导学生完成这两个实践活动。

 

二、教学实施建议

望远镜和显微镜是透镜在军事、科技和生产中的重要应用。课程标准对这一部分的内容未作明确要求，但是为了进一步拓展对 “凸透镜成像的应用”的了解，教材吸纳了这方面的内容。基于课程标准的要求范围，本节教学在“知识与技能”上不作深入要求，只是让学生知道望远镜、显微镜是由透镜组成的，望远镜和显微镜有哪些用途即可。本节的教学目标着重在于让学生通过自主性探究过程，体验逆向思维、类比等物理方法；同时通过教材提供的宇观与微观图片欣赏，让学生进一步认识自然的奇异与和谐，意识到自然界是可以认识的，树立正确的世界观。

（一）教学过程

本节分为四个教学板块：（1）“做一架望远镜”的“动手做”实践活动；（2）欣赏宇宙空间图片以及对各种类型望远镜的了解；（3）“做一架显微镜”的“动手做”实践活动；（4）微观世界的图片欣赏。教学过程可以按照这四个板块的顺序依次进行。

1.“动手做”实践活动

本节包括两个“动手做”实践活动。教学中，教师应指导学生选择两个焦距不同的凸透镜和两个凹透镜。因为望远镜和显微镜对于许多学生而言是比较陌生而充满神秘感的，因此学生在得知本节课的内容后通常会产生较为浓厚的兴趣。

可以鼓励学生提出对望远镜与显微镜的一些疑惑，让全体学生进行交流与讨论，如果未得到解决，则可以让学生带着这些问题，进入动手操作阶段。因为这一操作比较简单，而且教材中也提供了相关的指导，教师不必限定学生的操作规程，给予学生足够的自主空间。

在操作之前，也可以强调实践活动过程中的注意事项。首先，透镜属于玻璃制品，为了防止落地而造成损坏，应该让学生在简易光具台上进行操作，并轻拿轻放，这样也利于使多个透镜光轴重合。其次，应禁止学生用手触摸透镜的玻璃表面，以免玷污，养成爱护实验器材的习惯。此外，要避免学生将调整好的“望远镜”直接对着太阳观察的现象发生。

在操作过程中，因为透镜比较多，可以鼓励学生作不同的尝试，包括采用两个凸透镜、一个凸透镜和一个凹透镜、两个凹透镜、多个透镜等多种组合，其中还可以对透镜焦距作选择，对观察方向作选择等等。在实现望远或者显微功能后，可以让学生改变两个透镜之间的距离，观察望远或显微效果的变化。

在各组学生都已经调整好自己的望远镜可以让学生们观察同一个物体，如在实验室的讲桌上立起一本书，让学生用望远镜观察上边的的页码等等。这样的环节旨在增加学生的动手兴趣。在操作基本完成之后，让学生回顾自己的操作心得，总结出望远镜（显微镜）的基本组成。并回答动手做之前的提出的问题。学生的回答往往是不完整的，教师应给予总结。但是对于望远镜与显微镜的原理的剖析，已经超出课程标准要求的范畴，可以不做深究。

2．物理欣赏

教材提供了较大版面以及图片介绍望远镜和显微镜的各种类型以及观测效果。对于望远镜与显微镜发展历史，教师可以给予一定的介绍，例如分别简单说明伽利略望远镜、开普勒折射望远镜以及牛顿反射望远镜的性能以及适用范围等，并且可以结合本册教材第一章第一节中涉及的哈勃太空望远镜，说明望远镜的重要用途以及技术变革等等。对于显微镜也可以做这样的简单介绍，如介绍从胡克发明的第一台显微镜到目前常用的显微镜（图4-7-10），进而到电子显微镜、扫瞄隧道显微镜的历史沿革等。在涉及的内容中，学生往往因为不了解这些望远镜的原理而产生疑问，可以让他们通过查询资料获取相关信息。

在对历史的回顾之后，可以让学生欣赏课文中的一系列图片，体会自然界的奇异与和谐，例如因为太远而肉眼无法观察到的月球上的环形山，因为太细微而无法感知的西瓜表皮上的绒毛等等。此外，可以比较肉眼和望远镜、显微镜这些仪器的分辨能力的差别，让学生体会科学技术扩展人类视觉的能力。正常人眼最多能分辨大约为0.1mm的细微物体，而隧道显微镜可以看到直径数量级为10-10m的原子；人的正常视力（指小数视力1.0）能够在5m之外分辨边长约7.3mm的“E”字，而哈勃太空望远镜的“视力”是看到约16 000km外的萤火虫！以上这些比较都可以让学生意识到科技的无穷力量，意识到自然界是可以为人类所认识的，从而树立正确的世界观。

整个教学过程中，学生自主操作与自由分析始终是教学的中心，教师要把握好讲解的时间分配的尺度，让学生充分经历“动手做”的过程，同时引导他们“动脑想”，体会这些运用光学规律的仪器的应用价值与社会意义。

 

（二）材料准备与实验设计

1.实验材料准备

图4-7-1

本节教学需要准备的材料如下：两个不同焦距的凸透镜。

2.实验设计

自制水滴显微镜

把一个带针孔的硬纸板平放在两个火柴盒上（图4-7-1），离桌面大约十五毫米。在针孔上滴一滴水，水滴的直径是四到五毫米。在火柴盒下铺上一张白纸，在纸上画一个极小的箭头，作为观察对象。

透过这个小水滴，应该看到一个和原来方向相反的放大了的箭头(如果不是这样，就要调整水滴跟桌面的距离，或者改变水滴的直径)。这是一个被水滴放大了的实象。然后再用一只放大镜来观察水滴。改变放大镜和水滴之间的距离，可以找到一个合适位置，看到一个清晰的被放得很大的箭头。   

将箭头换成一些细盐粒。可以发现，每一小粒盐都是一个正方体。

 

三、教学资源

（一）教学视频

1.哈勃望远镜

2.微小的世界（见“教师备课系统”光盘）

（二）参考资料

1.望远镜的发展简史

从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。

（1）折射式望远镜

图4-7-4  牛顿反射式望远镜光路图

图4-7-2  伽利略望远镜光路图

图4-7-3 开普勒望远镜光路图

1609年，伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的望远镜。他是用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略用这架望远镜得到了一系列的重要发现，天文学从此进入了望远镜时代。

1611年，德国天文学家开普勒用两片凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。

现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式，天文望远镜采用的是开普勒式。

折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是因为从技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，以及重力会使大尺寸透镜有明显变形，因而折射望远镜发展较为缓慢。

（2）反射式望远镜

1668年，牛顿发明了第一架反射式望远镜，他采用凹面反射镜作为主镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜。

1672年，法国人卡塞格林利用凹面镜和凸面镜，设计了现在最常用的卡赛格林式反射望远镜。这种望远镜焦距长而镜身短，放大倍率大，图象清晰；既可用来研究小视场内的天体，又可用以拍摄大面积的天体。哈勃太空望远镜采用的就是这种反射望远镜。

1918年末，口径为254cm的胡克望远镜投入使用，这是由海尔主持建造的。天文学家用这架望远镜第一次揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置，更为重要的是，哈勃的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果。

（3）折反射式望远镜：

折反射式望远镜最早出现于1814年。1931年，德国光学家施密特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜，这种望远镜光力强、视场大、象差小，适合于拍摄大面积的天区照片，尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望远镜已经成了天文观测的重要工具。 1940年马克苏托夫用一个弯月形状透镜作为改正透镜，制造出另一种类型的折反射望远镜，它的两个表面是两个曲率不同的球面，相差不大，但曲率和厚度都很大。它的所有表面均为球面，比施密特式望远镜的改正板容易磨制，镜筒也比较短，但视场比施密特式望远镜小，对玻璃的要求也高一些。

由于折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点，非常适合业余的天文观测和天文摄影，并且得到了广大天文爱好者的喜爱。

 

2、远东最亮的“眼睛”

我国自行设计研制的2．16米大型光学天文望远镜，就安装在燕山深处海拔蝴米的北京天文台兴隆观测站。这台三层楼高的庞然大物是目前我国也是远东地区最大口径的现代化望远镜。

    它的最大特点是采用中继镜做折轴系统转换。这是当今世界上我国天文工作者的创新设计。国外的望远镜，这个零系统和折轴系统，需要更换时要使用不同的副镜。这样做，往往会引起整值误差，降低成像质量，有的更换还需要花费不少时间，影响天文观测。而我国新研制的望远镜采用了新的折轴系统方案。这个方案里面折轴系统和卡非灵系统是共用同一个副镜，不需要更换。它是通过增加一块反射镜，称为中继镜，来实现这样一个方案的。国外对这个折轴系统给予了很高的评价。美国著名的天文光学家垒雷尔教授把这个系统的中继镜命名为s、y、z中继镜，就是输定强，原希木，正必方中继镜。中国人的首创，得到世界天文学界的认同。正在研制中的世界最大的望远镜，欧洲南方天文台B、I、T中也采用了s、y、z中继镜的思路和折轴系统。

    2．16米望远镜的机械传动采用了先进的油电系统。使重达95吨的望远镜就像浮在油上一样，只需相当于3瓦电动功力的电机就可将其驱动，而且，还能使望远镜跟踪天体的精度达到0．15度。

    中国科学院主持的2．16米光学望远镜鉴定会，集中了我国天文学界的专家权威。他们一致认为，南京天文仪器研究中心、北京天文台自动化研究所联合研制的这台望远镜是2米级的，达到了国际先进水平的光学望远镜，这就使中国的天文观测有了远东最亮的眼睛。当外面配备先进的探测器，如CCD光谱仪，这个光谱仪在黑夜就能够观测到很暗的星，而且能自动进行，最后的结果全部输到计算机里面去。1993年他们做过一个超行星界的工作，取得了一个完整的光谱系列。在这个基础上，他们发现超行星的不稳定、不对称的暴发现象，并且提出了自己的一个理论模型，叫做手纸模型，即像手纸一样的暴发模型。这个模型引起了国外的关注。

    2．16米光学望远镜的研制成功，标志着我国天文机械和自动化控制达到了一个新的水准。                                                          CCTV《科技博览》

3.哈勃太空望远镜

地球的大气层对天文观测构成了极大的障碍。即使在远离人烟的高山观测，大气电离层中的辐射仍然会使夜空背景发光，影响了一些要求很高的光度测量。此外大气的扰动亦是使天文学家十分头痛的问题。在大气扰动下，原本在望远镜中呈现点状的星光变成了模糊的圆盘，大大减低了望远镜的分辨能力和量度星体位置的准确度。

早在1946年天文学家Lyman Spitzer就提出了太空望远镜的构思，但这个梦想却要到90年代才实现，太空望远镜的历史可以说是波折重重。以著名天文学家哈勃(Hubble，1889～1953)命名的哈勃太空望远镜，1990年4月由“发现号”航天飞机送至太空，是迄今为止最大的太空望远镜。

哈勃望远镜总长12.8m，镜筒直径4.28m，主镜直径2.4m，连外壳孔径则为3m，总重11.5t，主要由三大部分组成。第一部分是光学部分，是整个望远镜的心脏。它采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，一个是口径 2.4m的主镜、另一个是装在主镜前约4.5m处的副镜，口径0.3m。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔到达主镜的焦平面上形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。第二部分是科学仪器，主要包括装在主镜焦平面上的八台科学仪器，分别是：宽视场和行星照相机、暗弱天体照相机、暗弱天体摄谱仪、高分辨率摄谱仪、高速光度计和三台精密制导遥感器。第三部分是辅助系统，包括两个长11.8m、宽2.3m，能提供2.4kW功率的太阳能电池板，两部与地面通信的抛物面天线等。

哈勃望远镜在距地面500km的太空上进行观测，不仅不受恶劣气候的影响，每天都可以进行观测，而且摆脱了地球大气的干扰，能够达到地面上任何望远镜也达不到的高灵敏度和高分辨能力，是一个性能卓越的空间天文台。借助它可观测到宇宙中140亿光年远发出的光；它能够单个地观测到星群中的任一颗星；它能研究和确定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年龄、距离标度；它还能分析河外星系，确定行星间、星系间的距离，它能对行星、黑洞、类星体和太阳系进行研究，并画出宇宙图和太阳系内各行星的气象图。

目前哈勃望远镜已有过许多重要发现，如拍摄到距地球5亿光年远的恒星碰撞，发现了围绕着1987A超新星的正在发光的气体环等等。神通广大的哈勃望远镜为人类观测宇宙立下了汗马功劳。

4. 能看见原子的眼睛

说起扫描隧道显微镜，有这样一个比喻：假如人类站在月球上，观察自己的家园地球，用肉眼看去，地球不过是一个蓝色的球体。如果用放大2000倍的光学显微镜，就可以看到太湖那样大小的区域。如果用放大几百倍的电子显微镜，地球上的一幢幢楼房就会出现在眼前。而如果用扫描隧道显微镜，那么，进入你视野的将是地球上的一粒粒砂子。

当然，这只是一个比喻。扫描隧道显微镜不是望远镜。它的重要性在于，它为人类打开了通向微观世界的又一扇大门。有了它，我们就有了一双能直接看到物质表面原子排列状况的眼睛。

扫描隧道显微镜能看见如此微小的原子，其原因在于它与普通光学和电子显微镜完全不同的工作原理。扫描隧道显微镜的探头带有一根探针，它的针尖细到只有原子大小。探针的针尖接近所要观测的样品的表面并进行扫描。根据量子物理学原理，当针尖上的原子与样品表面原子的距离小于lnm时，它们之间会产生隧道电流。通过记录隧道电流的变化就可以获得样品表面原子排列的情况，并把它转化为图像。这个过程很像我们用手指去触摸一个物体的表面，触觉神经把信号传到大脑，使我们产生对该物体表面形状和性质的认识。不过，扫描隧道显微镜比我们的手指要精确得多。它平行于物体表面的分辨率可达到0．1nm，而垂直于物体表面方向上的分辨率可达到0．01nm。

扫描隧道显微镜不仅可以直接观察物质表面的原子结构，还可以通过探针对物质表面的原子和分子进行搬移。可以搬动原子，人类就可以按自己的意愿对各种物质表面进行原子级的重构，像搭积木一样，把一个个分子组建在一起，制造新的材料。

扫描隧道显微镜还能对物质表面进行刻蚀。中国科学家用自制的扫描隧道显微镜在石墨表面刻蚀了线宽仅为10nm的字符和图案。按尺寸计算，一部<红楼梦)只需一根大头针针尖大小的地方就能记录下来。这就为制作高密度的信息存储元件和纳米尺度的电子元件提供了新途径。想象一下，这种技术一旦投人应用，我们的计算机容量该有多大，而体积又该有多小。

扫描隧道显微镜所观察到的原子，是目前人类所能直接观察到的微观世界的最小尺度。很显然，这项技术直接促进纳米科技的发展。对于表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术的研究有着重要的意义。有了这项技术，人类把自己的意志施加于微观世界的时代就开始了。                                                     CCTV《科技博览》