常用的光学仪器

本节前言第五节常用的光学仪器大约400多年前，荷兰的米德堡城里住着一个磨眼镜片名叫詹森的玻璃技师。

他的两个男孩又天真又淘气。

一次詹森因事外出，弟兄俩爬上他的工作台玩玻璃片。

他们用铜管两端放上玻璃片，对准一本书看去。

新奇的事出现了，一个逗号竟象一个胖蝌蚪似地爬在那里。

詹森后来做了更高明的管子：管子细长，两端各固定一块凸透镜，管子的长度还可以调整。

这便是1590年制成的第一具显微镜。

詹森的生意就越来越兴隆。

名声很快传了出去。

这消息传到伽利略耳里时，竟成了荷兰有人发明了可以看见远处物体的仪器。

在这一误传之下，伽利略制成了第一具望远镜。

1827年，法国写生画家达格尔开始钻研摄影术。

他拿所有的钱去向光学家购买贵重的透镜，向药房买药品，不分昼夜地一个人关在暗室里。

达格尔把一片铜板镀了银，把它放在水银蒸汽中，然后把这张片子装到摄影机上，对准物体进行拍照，拍照后再作一番处理，片子上有光照的地方就会变成黑色。

因为达格尔制成的镀银铜板感光性能很差，所以拍一次照片十分费事。

一个人要照像，得先在脸上涂一层白粉，然后在摄影机前一动不动地坐上半小时。

我们现在所运用的显微镜、望远镜、照相机在构造上、功能上与早期相比都有了很大改进。

这节中我们对它们的结构，工作原理作具体介绍，并结合动画来生动演示各自的成像过程。

§1.5常用的光学仪器观察很小或很远的物体时，我们凭肉眼往往看不清楚，这时就要凭借相应的仪器——显微镜和望远镜来增大观察物体时的视角，从而能最大限度地看清物体。

为了把观察到的景物记录下来，还需要使用照相机。

显微镜显微镜是用来观察细菌、动植物组织、金属结构等细微物体的光学仪器。

显微镜的主要部分是装在镜筒两端的两组透镜。

每组透镜都相当于一个凸透镜，对着物体的一组叫做物镜，对着眼睛的一组叫做目镜。

物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。

图中展示的是利用显微镜观察到的微生物（单细胞海藻）的情况。

我们将样品放置在载玻片上，盖上覆片。

载玻片放置在显微镜平台上，光线经下面的平面镜反射照亮载玻片。

离载玻片较近的物镜形成微小物体放大的实像。

目镜进一步放大像，像就比物体本身大几百倍。

多数显微镜有2-3个物镜，可发根据需要的放大倍数来选择。

我们把物体放在物镜前焦点以外非常靠近焦点的地方，可以得到一个倒立且放大的实像。

调节显微镜镜筒长度，使像成于目镜的焦点之内且非常靠近焦点的地方，这样对刚才的像来说，目镜就成了放大镜。

因此我们从目镜中就可以看到在明视距离处出现了一个放大了的虚像。

这个虚像就是经过两次放大后的像。

人眼只能看清大小0.1～0.2mm左右的细小物体。

显微镜大大提高了人的观察能力。

较高级的光学显微镜可以把物体放大2000倍，能够看清0.2μm的结构，这样就可观察到细胞的构造，如：细胞质、细胞核、细胞膜等若要观察更小的结构，如晶体的结构、分子、原子等，光学显微镜就无能为力了。

在20世纪30年代出现电子显微镜，进一步提高了人的观察能力，可以看清万分之几微米的精细结构。

望远镜自17世纪起，天文学家制作了高倍率的望远镜来观察遥远的太空天体，观察到了三裂星云。

三裂星云是距离地球28380万亿千米的气体和尘埃星云。

光从三裂星云传播到地球需要3000年。

望远镜结构：其实望远镜的结构是很简单的，我们主要介绍开普勒望远镜。

开普勒望远镜是德国天文学家开普勒于1611年发明的，也叫天文学望远镜。

它的构造跟显微镜的差不多，也是由两组凸透镜——物镜和目镜组成的，不同的是物镜的焦距长而目镜的焦距短。

由动画来了解开普勒望远镜的成像原理。

物镜的作用是得到天体的实像，天体离物镜非常远，从天体上各点射到物镜上的光线是平行的，经过物镜后在焦点外距焦点很近的地方，得到天体的倒立、缩小的实像，目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合在一起的，所以实像位于目镜和它的焦点之间且离焦点很近的地方，实像对目镜来说是物体，它经目镜放大所成的像是虚像。

这样，当我们对着目镜进行观察时进入眼睛的光线城市污染好像直接从看到的虚像上射过来的。

因此，天体看起来就大了。

天文望远镜呈Y形排列的射电天文望远镜，它们的效果相互相当于一个非常大的望远镜望远镜的问世在十六世纪末的荷兰，眼睛和望远镜制造业成为重要产业。

在一位名叫李普希的商人，居住在荷兰的米德尔堡小镇上，经营着一家眼睛店。

他有三个活泼可爱的小男孩。

由于家里玩具少，孩子们经常把一些磨制坏的眼镜片拿来玩。

一天，三个孩子拿着镜片在阳台上玩。

调皮的二弟将两个镜片叠在一起。

眯着眼睛，看远处的景物。

忽然，他大叫起来：“哥，快来看，教堂的塔尖变尖了。

”两各哥哥照着弟弟说的那样，将两个镜片叠在一起，果然，前方的教堂、树木变得高大清晰了。

“哥，这是为什么呢？”小弟问道。

“我也不知道。

”两个哥哥异口同声地回答。

于是，他们去找爸爸。

“爸，为什么将镜片一前一后地拿着看教堂塔尖变近了？”小弟问道。

“这是因为……啊，没有这种事。

不要胡闹了，爸爸很忙。

”李普希放下手中正在研磨的镜片，慈祥地对孩子说。

“这是真的。

”“这确实是真的。

”两个哥哥为小弟作证。

李普希只好跟着孩子们，来到阳台上。

他按照孩子们说的那样，将两个镜子拿好。

确实，他发现塔尖变近了。

“这是为什么呢？”他百思不得其解，经过进一步的试验，他发现只要将一块凸透镜和凹透镜组合起来，把凹透镜放在眼前，把凸透镜放在远一些，并调好两镜片间的距离，就可以看见很远的物体。

李普希制成一根粗细、长短合适的金属管，并把凸透镜和凹透镜放入管内恰当的位置。

用这个装置观看远方的景物，会使物体变近了。

作为商人，李普希想：“也许这是一桩赚钱的制造行业。

”于是，他向荷兰国会提出了申请专利的要求。

1608年，李普希获得荷兰政府的专利权，荷兰政府除奖励他一大笔奖金外，还拨出专款。

命令他为海军制造一种用两眼观测的双筒望远镜。

荷兰政府认为，如果海军有了望远镜，就等于有了一双“千里眼”，将大大提高战斗力。

他们秘密地进行望远镜的制造工作。

1609年6月，居住在意大利威尼斯的物理学家伽利略，从同行中听到了这一消息。

他想：“如果用望远镜观测遥望天体，也许可以。

”他立刻从眼镜店里买来镜片，并加工了一个铜筒。

然后将镜片装入铜筒中，一架望远镜制成了。

用它观测远方的物体，比用肉眼观测近3倍。

之后，伽利略对望远镜制造技术进行了改进，使用它观测比用肉眼观测近30倍。

1609年，在一个群星璀璨的夜晚，伽利略将望远镜的镜子对准了月球。

自古以来，人们认为月球皎洁无暇的，可透过望远镜，他看到月球表面凹凸不平，既有草原，也有山脉。

他不禁惊叹道：“月球原来是一个满脸麻子的美人。

”之后，伽利略还用望远镜观测了木星，发现木星边上有4颗小星星围绕着它转；用望远镜观测太阳，发现了太阳的自转；用望远镜观测银河系，发现它是由无数暗弱的恒星组成的。

伽利略发明的望远镜与李普希发明的望远镜一样，都是由凹透镜和凸透镜组成的。

人们称这类望远镜为“折射式望远镜”。

这种望远镜有一个缺点，就是所有的图像都带有彩色的边缘。

显然，它会影响观测的准确性。

1668年，英国物理学家牛顿在研究折射式望远镜的基础上，成功地制成了第一架反射式望远镜。

它的镜筒直径约为2.5厘米，长度约为15厘米。

它克服了折射式望远镜的缺点。

之后，还诞生了射电式望远镜、空间望远镜等。

新型望远镜的不断问世，把人类的目光投得更远。

照相机照相机利用透镜聚焦光线并拍下物体的像。

照相机从起初的单孔相机到目前许多专业摄影师用的高技术相机，种类繁多。

但他们的工作原理还是相同的。

单孔相机中，来自物体的光线通过一个小孔进入一个盒子，在盒子背面形成一个倒立的照相机的结构如左图我们来了解一下它的几个重要的组成部分：快门、光孔、镜头、胶片。

（1）快门快门是光圈后面的一个小门或小洞，当你按下照相机的快门时，镜头打开，光线由镜头折射向胶片。

快门速度是快门开合的时间（曝光时间）手动曝光照相机通过调节镜间快门调节环来设定曝光时间，程序式自动相机会自行设置。

（2）光孔光孔是在镜头中间由叶片组成的光圈所构成的开口。

调节光圈调节环，可以改变光孔直径的大小。

光孔开的大，光进得多，光孔开得小，纳入的光线就少。

（3）镜头镜头是由光学系统和机械装置两部分组成的。

光学系统主要包括若干单片透镜和胶合透镜以及反光镜等元件。

光线通过这个光学系统，由透镜将外部光线聚焦使之在胶片上形成一个实像。

这里运用的成像原理是：物体在两倍焦距外，经透镜成像于一倍焦距和两倍焦距之间，为倒立缩小的实像。

为得到清晰、准确聚焦的像，镜头必须根据物体的远近调节与胶片的距离。

多数相机通过旋转相机前方的调焦环来移动镜头，自动照相机根据聚焦的要求，可自动移动镜头。

至此我们可以知道，照相机的调焦实际调的是像距，即镜头到胶片的距离（4）胶片胶片上涂有光作用下能发生化学变化的感光乳剂，通过化学反应，所成的像固定在胶片上，变成底片。

将底片冲洗后，就能将像印在相纸上，这就是相片。

照相机的发明16世纪初中期，意大利画家根据“小孔成像”的原理，发明了一种“摄影暗箱”。

著名画家达芬在笔记中对它作了记载。

他写道：光线通过一座暗室壁上的小孔，在对面的墙上形成一上倒立的像。

当然它只会投影，得用笔把投影的像描绘下来。

接着又有人对“摄影暗箱”进行了修改，比如：增加一块凹透镜，使倒立着的像变成正立的像，看起来舒适多了；增加一块呈45度角的平面镜，使画面更清晰逼真。

然而，这时候的“摄影暗箱”虽然具有照相机的某些特性但仍不能称为照相机，因为它不能将图象记录下来。

18世纪的中期，人们发现了感光材料，告别是达孟尔发现的感光材料碘化银，仿佛给照相机的问世注入极有效的催化剂。

于是，在摄影暗箱上装上这样的感光片，这样就诞生了历史上第一架照相机。

照相机的问世轰动了世界。

许多高官要求拍摄自己的肖像，尽管当时要照一张相就像受一场刑罚一样。

初期的照相机体积大，十分笨重。

照相时要选择好天气，因为当时还没发民明电灯，所以必须信赖于晴天的中午，照相的人还得在镜前端端正正坐上半个小时左右。

为了让自己的姿容永留人间，那些老爷小姐们也只好耐着性子忍受这一苦楚。

新事物的诞生，对世界必定产生一定的冲击力。

照相机诞生伊始，有一个小小的插曲：巴黎一批靠画肖像画为生的画家，联名上书法国政府，要求取缔照相术。

他们的理由十分简单：怕摄影师抢走他们的饭碗。

然而，新生事物的成长是任何力量都抵挡不住的。

不久随着感光技术的发展，曝光所需的时间大大缩短，照相机显得更为实用了。

1858年，英国的斯开夫发明了一种手枪式胶板照相机。

由于其镜头的有效光圈较大，因此只要扣动扳机，就能拍摄。

有趣的是，一次，维多利亚女王在宫廷内召开盛大宴会。

当斯开夫用他的照相机对准女王拍照时，被蜂涌而上的警卫人员扑倒，一时会场大乱。

事后，警卫人员才开懂，那“凶器”原来是照相机。

之后，随着感光材料及摄影技术的进一步发展，照相机也不断地得到完善。