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簡易望遠(yuǎn)鏡的制作
【論文關(guān)鍵詞】：顯微鏡；望遠(yuǎn)鏡；折射；反射；物鏡；目鏡；實(shí)像；虛象
【論文摘要】：綜合分析了望遠(yuǎn)鏡的功能結(jié)構(gòu)和成像原理。指出常見的望遠(yuǎn)鏡可簡單分為伽利略、開普勒、和牛頓式望遠(yuǎn)鏡。并以開普勒望遠(yuǎn)鏡為例介紹簡易望遠(yuǎn)鏡的制作方法。
我們?cè)谟^察細(xì)小物體時(shí)，總是習(xí)慣上把物體移得離眼睛近一些，這樣可以增大視角。但是這種方法是有一定限度的。當(dāng)物體移到近點(diǎn)以后，就不能再用這種方法來增大視角了。另外，在觀察比較遠(yuǎn)的物體時(shí)（例如宇宙天體），由于它們到人眼的距離是無法縮短的，因而上述方法就不能再適用了。人類要想觀察到很小或很遠(yuǎn)的物體時(shí)，為了增大視角，就需要使用顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡來擴(kuò)大人眼的視覺范圍。它們的光學(xué)系統(tǒng)十分相似，都是由物鏡和目鏡兩部分組成。文章只討論望遠(yuǎn)鏡的有關(guān)內(nèi)容。
一、望遠(yuǎn)鏡的作用
望遠(yuǎn)鏡是一種觀察遠(yuǎn)處物體通常呈筒狀的光學(xué)儀器,利用通過透鏡的光線折射或光線被凹鏡反射使之進(jìn)入小孔并會(huì)聚成像,再經(jīng)過一個(gè)放大目鏡放大成像的光學(xué)儀器。就實(shí)質(zhì)來說，望遠(yuǎn)鏡只不過是擴(kuò)大人眼的視角范圍。最初它最大的用處是觀察天體，人類借助望遠(yuǎn)鏡幾乎考察遍了太陽系所有的行星，并投向更遙遠(yuǎn)的太空。望遠(yuǎn)鏡延長了人眼的視線，實(shí)現(xiàn)了人類千里眼的夢想。如今，望遠(yuǎn)鏡的使用越來越普遍，野外觀察、劇場觀看……潛望鏡、瞄準(zhǔn)鏡等也都采用了望遠(yuǎn)鏡的原理。
二、望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)
簡易天文望遠(yuǎn)鏡由物鏡、物鏡鏡筒、目鏡、目鏡鏡筒等組成。最簡單的望遠(yuǎn)鏡由兩片鏡片組成，物鏡為凸透鏡或凹鏡，目鏡可以是凸透鏡，也可以是凹透鏡。中央比邊緣薄的是凹透鏡，用來糾正近視；中央比邊緣厚的是凸透鏡，用來糾正遠(yuǎn)視。常見望遠(yuǎn)鏡可簡單分為伽利略，開普勒，和牛頓式望遠(yuǎn)鏡。伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史中占有重要地位。它由一個(gè)凹透鏡（目鏡）和一個(gè)凸透鏡（物鏡）構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能直接成正像。一般為民用或兒童玩具用放大倍數(shù)通常為3～12倍。開普勒望遠(yuǎn)鏡由兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成。由于兩者之間有一個(gè)實(shí)像，可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用小型天文等專業(yè)級(jí)的望遠(yuǎn)鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。反射望遠(yuǎn)鏡該類鏡最早由牛頓發(fā)明，其物鏡是凹面反射鏡，沒有色差，而且將凹面制成旋轉(zhuǎn)拋物面即可消除球差。凹面上鍍有反光膜，通常是鋁。反射望遠(yuǎn)鏡鏡筒較短，而且易于制造更大的口徑，所以現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡幾乎無一例外都是反射結(jié)構(gòu)。
三、望遠(yuǎn)鏡成像原理
望遠(yuǎn)鏡之所以能看見很遠(yuǎn)的物體，主要是內(nèi)部核心部件透鏡對(duì)光線的折射作用而形成的。以開普勒望遠(yuǎn)鏡例，當(dāng)遠(yuǎn)方天體發(fā)出的平行光線經(jīng)過物鏡后，在物鏡焦點(diǎn)外距焦點(diǎn)很近的地方，得到天體的倒立、縮小的實(shí)像。目鏡的前焦點(diǎn)和物鏡的后焦點(diǎn)是重合在一起的，所以實(shí)像位于目鏡和它的焦點(diǎn)之間離焦點(diǎn)很近的地方。所成實(shí)像對(duì)目鏡來說物體，再經(jīng)過目鏡成像為一正立放大的虛像。這樣，當(dāng)我們對(duì)著目鏡進(jìn)行觀察的時(shí)候，所看到的是天體的倒立、放大的虛像。
四、望遠(yuǎn)鏡的制作
17世紀(jì)初的一天，荷蘭小鎮(zhèn)的一家眼鏡店的主人利伯希，為檢查磨制出來的透鏡質(zhì)量，把一塊凸透鏡和一塊凹鏡排成一條線，通過透鏡看過去，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的教堂塔尖好像變大拉近了，于是在無意中發(fā)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的秘密。下面我們主要講述開普勒望遠(yuǎn)鏡的制作方法。
設(shè)計(jì)簡易天文望遠(yuǎn)鏡，有四個(gè)指標(biāo)是需要認(rèn)真考慮的。
（一）放大率望遠(yuǎn)鏡的放大率M等于物鏡焦距F同目鏡焦距f比：M=F/f。物鏡的焦距越長，目鏡的焦距越短，望遠(yuǎn)鏡的放大率就會(huì)越大。一般來說，目鏡的焦距不能太短，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的像差。物鏡的焦距也不能太長，否則在望遠(yuǎn)鏡里看到的天空范圍太窄小。也就是說望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)要適中才好，個(gè)人使用的小型手持式望遠(yuǎn)鏡不宜使用過大放大倍率，一般以3～12倍為宜，倍數(shù)過大時(shí)，成像清晰度就會(huì)變差，同時(shí)抖動(dòng)嚴(yán)重。超過12倍的望遠(yuǎn)鏡一般使用三角架等方式加以固定。
（二）相對(duì)口徑。相對(duì)口徑是反映望遠(yuǎn)鏡聚光本領(lǐng)的指標(biāo)。相對(duì)口徑A等于口徑D同物鏡的焦距F的比：A=D/F。相對(duì)口徑大，在望遠(yuǎn)鏡里看到的天體就明亮；相對(duì)口徑小，在望遠(yuǎn)鏡里看到的天體就灰暗。
（三）視場。視場是指在望遠(yuǎn)鏡里看到的天空范圍。如果用望遠(yuǎn)鏡觀看天空，那么所看見的天空部分的角直徑叫做望遠(yuǎn)鏡的視場。用ω表示。對(duì)同一架望遠(yuǎn)鏡來說，視場同目鏡的焦距有關(guān)，一般來說，物鏡的焦距越長，放大率就越大，但視場會(huì)越小，看到的天空范圍就會(huì)越窄小。視場太小，在望遠(yuǎn)鏡里尋找要觀測的天體會(huì)很困難。
（四）分辨角。望遠(yuǎn)鏡的分辨角，指的是其像點(diǎn)剛剛能夠分辨開的個(gè)點(diǎn)的角距離。
明白了望遠(yuǎn)鏡原理及要求，我們很容易制作一臺(tái)簡易的望遠(yuǎn)鏡。制作方法具體如下：
1．選擇物鏡和目鏡。物鏡安裝在轉(zhuǎn)換器的孔上，由一組透鏡組成的，能夠把物體清晰地放大。目鏡是插在目鏡筒頂部的鏡頭，也由一組透鏡組成，可以使物鏡成倍地分辨、放大物像。買來的物鏡測定焦距，把物鏡對(duì)著太陽，在鏡片的另一側(cè)放張白紙板，前后移動(dòng)白紙板，使太陽在白紙板上成像清晰。用直尺量出鏡片到白紙板的距離，這個(gè)距離就是鏡片的焦距。在光具座上的透鏡支架上放上兩個(gè)焦距不同的凸透鏡。焦距較大的透鏡作物鏡，焦距較小的透鏡作目鏡，并使兩鏡相隔一定距離，并從目鏡中觀察成像的情況，然后改換物鏡的焦距，直到看見合適的放大圖象。
2．設(shè)計(jì)鏡筒。為了便于調(diào)節(jié)焦距，鏡筒可做成兩節(jié)，一節(jié)是物鏡鏡筒，一節(jié)是目鏡鏡筒。它們都用黃紙板（馬糞紙）制作。物鏡鏡筒的直徑約等于物鏡的直徑，物鏡鏡筒的長度約等于物鏡的焦距。目精鏡筒的直徑約等于目鏡的直徑，目鏡鏡筒的長度比目鏡焦距長50~80毫米。目鏡鏡筒的外徑等于物鏡鏡筒的內(nèi)徑，使得目鏡鏡筒既能插入物鏡鏡筒，又能貼得比較緊，便于前后調(diào)節(jié)焦距。
3．物鏡鏡筒的制作。用長度稍長于物鏡焦距、直徑約等于物鏡直徑的圓管做芯柱。物鏡鏡筒用黃板紙條卷繞兩三層制作。先把黃板紙切成70~80毫米寬的紙條。把做最里層的黃板紙條一面涂上墨，等墨干透后再制作鏡筒。注意墨面朝里，以消除雜散光。并要求紙條一圈緊挨一圈，不能有間隙，也不能重疊。在鏡筒的兩端和紙條的接頭處，要用涂有漿糊或膠水的牛皮紙固定好。第一層卷好后，在外面涂上漿糊或膠水，然后卷繞第二層。注意第二層的卷繞方向和第一層相反。依次類推一般卷三層黃板紙就足夠了。鏡筒的最外面糊上一層牛皮紙。鏡筒卷好后稍晾一會(huì)把芯柱抽出，然后豎直放在室內(nèi)晾干。鏡筒卷得比需要稍長一些，卷好晾干后再用鋒利的刀截成需要的長度。
4．目鏡鏡筒的制作。用直徑約等于目鏡的圓管做芯柱。目鏡鏡筒的卷繞方法同物鏡鏡筒基本相同，但目鏡鏡筒的外徑等于物鏡鏡筒的內(nèi)徑。當(dāng)目鏡鏡筒外徑卷繞到已經(jīng)接近物鏡鏡筒內(nèi)徑的時(shí)候，通過糊牛皮紙來逐漸達(dá)到要求。
5．鏡片的安裝。為了把鏡片定位，可在鏡片上家套筒。在目鏡鏡筒的末端，加一段卷紙，以免目鏡鏡筒滑進(jìn)物鏡鏡筒。安裝鏡片要使物鏡和目鏡的光軸和鏡筒的中心線重合。這是制作望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)難點(diǎn)。調(diào)整好之后，把物鏡和目鏡都固定下來。這樣一架簡易的望遠(yuǎn)鏡就做成了。
參考文獻(xiàn)
[1] 侯如松，普通物理實(shí)驗(yàn)，成都科技大學(xué)出版社.
[2] 姚啟均，光學(xué)教程， 高等教育出版社.
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