【第5.05讲】改变世界的2阶透镜

【第5.05讲】改变世界的2阶透镜

同学们好！欢迎来到物理老师讲物理。
上一讲，我们谈过放大镜、照相机和投影仪，这些被我称为“1阶应用”的设备。今天我们来聊聊更牛的2阶应用——望远镜和显微镜。这两项发明都是曾经引起轰动的伟大发明。

望远镜的故事起于意大利著名的水城威尼斯。

16世纪的威尼斯，各种晶莹剔透的玻璃饰品大为流行。在当时，高档玻璃饰品是时尚的象征，也是财富的象征。这推动了玻璃制造工艺的革命。当地的民间杂耍中出现了一种“间谍玻璃”，能让凡人看得更远。这种装备很快被当地一些商人利用，他们得以提前看到货船进港，从而能比别的商人先调整价格。但是这种由两块玻璃片组成的简易装置，效果并不理想。

同在意大利的伽利略，看出了“间谍玻璃”背后更重大的意义。1609年夏天，他改进了“间谍玻璃”，不仅加上了镜筒，看得也更远、更清晰，第一代望远镜就此问世。据说，他将这一技术的独家生产权卖给了威尼斯政府。但他没有止步于此，他将望远镜对准了星空。很快就有了许多重大发现，比如他观测到木星的卫星。这一发现引起了轰动，因为木星的卫星没有像“地心说”描述的那样，围绕地球旋转，而是围绕木星旋转的。

德国的开普勒，也是一个天文学家。听说了伽利略的天文新发现之后，开普勒也开始研究望远镜，并且设计出一款新的，可以看得更远的望远镜。在他1611年发表的《折光学》一书中就有记载。这种望远镜由两组凸透镜组成，后来人们把这一类的望远镜都称为开普勒式望远镜，常用于天文观测。

开普勒式望远镜有一个物镜和一个目镜，两者都是凸透镜。

物镜有拉近距离的作用，远处物体发出的光线通过物镜，成倒立、缩小的实像，这个像离观察者的距离比物体的实际距离近得多。而目镜的作用，就相当于一个放大镜，将物镜所成的那个缩小的实像放大，成一个肉眼可观测到的虚像。这里要提醒一点，经过两次成像，望远镜最终所成的像，仍然比物体要小。

那为什么我们通过望远镜观察，感觉看到的景物变大了呢？

这主要是“近大远小”的缘故。还记得欧几里得的故事吗？2千多年前，欧几里得就提出过同样的问题，为什么我们伸出的手指与远处山上的神殿柱子，看起来一样长。我们可以用“视角”来衡量一个物体在人眼中看起来的大小。视角也就是从物体进入人眼的光线之间最大的张角。视角越大，物体看起来的感觉就越大。它不仅跟物体本身的实际大小有关，还跟物体到眼睛的距离有关。同样的物体，越近，它的视角也会越大。我们用望远镜，虽然看到的像比实物小，但它离眼睛的距离比实物近得多，所以我们感觉它好像被放大了一样。

无论什么类型的望远镜，它的物镜都有会聚光线的作用。

物镜的口径一般都比较大，因为口径越大，进入望远镜的光线就越多，所成的像也越明亮。这有利于在天文观测时看到更暗的星。比如著名的哈勃太空望远镜，它的口径有2.4m；被誉为“中国天眼”的球面射电望远镜，口径更是达到了惊人的500m，是目前世界上单口径最大、灵敏度最高的射电望远镜。

图1： “中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）

望远镜极大地扩展了人类认知的边界，从有限的太阳系，推向了无比辽阔的深空。同样的，显微镜对人类的影响也不小，它开启了人们从未见过的微观世界。你可以想象得到，当人类第一次知道，就在我们身边，还有无数肉眼看不见的“小怪物”，在与我们共存，该有多么的震惊！

说到显微镜，不能不提到两位“胡克”，一位是英国皇家学会的科学家罗伯特·胡克，另一位是荷兰的商人、民间科学家列文虎克。

他们俩年龄只差3岁。

列文虎克经营布料生意，需要观察布料的线头，但他不满足于普通放大镜的效果。同时，他还非常热衷于玻璃加工，也认识很多意大利的镜片制造商。这些条件使他成为制作显微镜的高手。列文虎克一生制作了500多个光学镜头，25台不同类型的显微镜，现在存世的有9台，其中放大倍数最大的有275倍。列文虎克用他的显微镜观测了滴虫、肌肉纤维等等。但他一生没有著作，他的所有成果都是通过与皇家学会通信的形式传世的。

图2：胡克画的跳蚤

罗伯特·胡克使用别人造的显微镜来观察。1665年，他出版了一本专著《显微图片》，其中有很多他用显微镜或望远镜观察到的图像，手绘的图片非常精细。他还在这本书中首次提出了细胞的概念。罗伯特·胡克的成就，还远不止于此，比如高中会学到关于弹力的“胡克定律”，也是他提出的。

我们知道，用一个凸透镜就可以放大微小的物体。但是，一个凸透镜能够放大的倍数毕竟有限。列文虎克的办法是，用两组凸透镜，两次放大就更大了。靠近物体的凸透镜叫物镜，靠近眼睛的叫目镜。假如物镜能放大10倍，目镜又将物镜所成的像再放大10倍，结果就放大了100倍。注意，这里是乘积关系。物镜就像幻灯机镜头，光线通过物镜，成倒立、放大的实像；目镜就像放大镜，将物镜所成的像再次放大，成放大的虚像。

需要注意的是，显微镜的物镜和目镜都使物体放大，但成像原理不同。物镜的焦距短，物体位于1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、放大的实像，像位于2倍焦距之外。目镜的焦距长，物体位于焦距以内，成正立、放大的虚像。所以，物镜和目镜是不能随意互换的。

现代显微镜，在载物台下面，还有一个反光镜，它可以是平面镜、也可以是凹面镜，主要作用是将光线反射到标本上，让视野更明亮。也可以用聚光灯代替反光镜。为了让光线容易穿透标本，制作标本时需要将样品切成很薄的切片。

【小结一下】

无论望远镜还是显微镜，物镜都成实像，望远镜的物镜成倒立、缩小的实像；显微镜的物镜成倒立、放大的实像。

无论望远镜还是显微镜，目镜都成虚像，它的作用是放大物镜所成的实像。

【思考题】

物镜所成的实像不需要一个光屏来承接吗？

今天就到这儿，咱们下一讲再见！

【补充资料】

显微镜究竟是谁第一个发明的？

这个问题，一直有争议。多数人认为，是一位名叫德雷贝尔的工程师，荷兰人。因为有人在游记中记载，1619年就见过他造的显微镜。又有记载说，伽利略在改造望远镜的过程中，也造出了一种有放大效果的装置，可能比德雷贝尔更早。后来伽利略于1624年见到了德雷贝尔的显微镜，又做了一些改进。

【备课手稿】