Question

望远镜和显微镜的原理

Answer 1

      望远镜和显微镜，可以说是我们当今科学界的两个大名鼎鼎的光学存在了。通过望远镜，我们可以让远处的事物近在眼前，可以去窥探宇宙世界，璀璨银河的奇妙。通过显微镜，我们可以让生活中的那些微小的小生物，小结构显现出来，探索微观世界的奥妙与神奇。但是，为什么，望远镜和显微镜有着这样的功能呢？望远镜和显微镜，又究竟有着怎样的结构呢？就让我们开始探索吧。

      先来探究望远镜的成像规律，总体来说，望远镜大体来说分为两种，第一种是伽利略望远镜，第二种是开普勒望远镜，两种望远镜最大的区别是一个最后的放大成像结果为正像，一个最后的放大成像结果为倒像。由于时间关系，我们这次就先探索最后成倒像的开普勒望远镜。

    跟距之前的知识积累，我们知道开普勒望远镜是有两个凸透镜组成的，而其中的凸透镜一个焦距大，一个焦距很小，那么我们就可以先准备好这些组成一个简单的开普勒望远镜的材料，手把手自己做一个望远镜，然后再根据我们做出的望远镜的结果进行分析。

    想法很美满，现实很骨感。于是乎，当我基本没怎么了解过望远镜原理的我看着真真切切的准备的一个焦距为30厘米的凸透镜和一个焦距5厘米的凸透镜，陷入了沉思：两块凸透镜不会自行组合，要想做出望远镜只能靠自己，但是根本没有任何思路呀？两块凸透镜该怎么摆放呢？不过好在在这些困难之后，我还有一个终极无敌大法：试出来。

    没错，就是试出来。根据之前在资料上又或者在一些拥有望远镜情节的电视剧里的图画分析，我能够大体粗略地得知开普勒望远镜带两块镜片是呈前后关系，串联成了一条线的，而在望远镜中，焦距较大的镜片是作为物镜放在前方，而焦距较小的镜片则是作为目镜用来观看的。根据这些信息，我首先将焦距为30厘米的大凸透镜固定在了前面，并对准了远方的一个水杯，最后在大凸透镜的正后方放置了小凸透镜，并且缓缓地将小凸透镜往后移：既然总有一个点可以让小凸透镜和大凸透镜形成开普勒望远镜的放大效应，那么这个后移的过程中总会遇到那一个点，而只要找到那一个点，你个望远镜不就出来了吗？

      也正是根据这个方法，再一次又一次的尝试过程中，我终于在小凸透镜离大凸透镜（目镜离物镜）大约30厘米处在目镜中看到了远方的景物的放大的像，随着小凸透镜的继续远离，小凸透镜中所成的放大的像继续放大，直到大于35厘米时，再往后就继续变得模糊了。由此，我制作出了一个开普勒望远镜：由焦距30厘米的凸透镜和焦距5厘米的凸透镜制成的物镜和目镜相距35厘米的镜子。

      用这种尝试的方法，我成功地制作出了开普勒望远镜，但是，这种尝试的方法并不能解决为什么物镜和目镜呈现以上的关系时就会出现放大的现象，我要解决这个问题，我们需要通过分析我做成的开普勒望远镜中的一些数据，进行光路图的解释。

    我们知道，当物体离凸透镜大于凸透镜的二倍焦距，也就是物距大于二倍焦距时，光线会再穿过凸透镜之后会在小于二倍焦距大于一倍焦距的地方呈现一个缩小倒立的实相。由于我们要观测的物体离我们的开普勒望远镜的距离很明显是大于二倍焦距也就是60厘米的，因此开普勒望远镜的物镜也会让穿过的光线再小于二倍焦距大于一倍焦距的地方呈现一个缩小的倒立的实像。具体这个缩小的像离物镜的像距，根据我们的探索其实就是30厘米，这时候，如果我们在光线成缩小倒立实像的位置焦距为5厘米的凸透镜，此时这个光线实像距离这块凸透镜也就小于一倍焦距，当凸透镜的物距小于一倍焦距的时，根据凸透镜的成像规律会呈现一个同侧的正立放大的虚像，而这个虚像，便正是我们所看到的放大的像了。

     

      探究完望远镜的成像原理，来看看显微镜的成像原理：根据之前对于望远镜的光路图分析经验，在分析显微镜的过程当中，我们已经不需要再用一次一次尝试的方法试出显微镜，而可以用光路图分析的方法直接分析出显微镜及显微镜的成像原理。

        显微镜的物镜和目镜的组成方式，刚好和望远镜相反，是焦距较小的凸透镜充当物镜，焦距较大的凸透镜充当目镜。在显微镜之中，我们要观察的物体是小于两倍焦距大于一倍焦距的，那么根据凸透镜成像的原理，这个物体所发出的光线在经过凸透镜之后会在大于二倍焦距的地方呈现放大的倒立实像，当我们在这个地方放置一片焦距很大的凸透镜，由于这块秃头近距离倒立实像的位置小于一倍焦距，也就因此会在同侧呈现一个放大的正立的虚像，我们所观察的显微镜所呈现的放大的像也正是这个虚像了。

      至此，我们探究完了显微镜和望远镜的成像方式，并分别用光路图解释了这一点。事实情况之下的显微镜和望远镜还有着非常非常多的分支，比如光学显微镜的许多设计极其复杂的升级版的。望远镜的另一种伽利略望远镜，以及现在被我们用来观测恒星的恒星及望远镜。但这些所有的望远镜和显微镜其实都还遵守着原本的最基础的望远镜和显微镜的规律，只不过在原本的基础规律之后，加入了许多其他复杂的元素，比如说与多个凸透镜所形成的望远镜或者显微镜等等。光学的世界仍然充满着惊奇，仍然有许多未知的领域等待着我们的发现。所以，永远保持好奇的探索的心，是非常非常重要的。