簡易望遠鏡制作

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【論文關鍵詞】：顯微鏡；望遠鏡；折射；反射；物鏡；目鏡；實像；虛象

【論文摘要】：綜合分析了望遠鏡的功能結構和成像原理。指出常見的望遠鏡可簡單分為伽利略、開普勒、和牛頓式望遠鏡。并以開普勒望遠鏡為例介紹簡易望遠鏡的制作方法。

我們在觀察細小物體時，總是習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。當物體移到近點以后，就不能再用這種方法來增大視角了。另外，在觀察比較遠的物體時（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的物體時，為了增大視角，就需要使用顯微鏡和望遠鏡來擴大人眼的視覺范圍。它們的光學系統(tǒng)十分相似，都是由物鏡和目鏡兩部分組成。文章只討論望遠鏡的有關內容。

一、望遠鏡的作用

望遠鏡是一種觀察遠處物體通常呈筒狀的光學儀器,利用通過透鏡的光線折射或光線被凹鏡反射使之進入小孔并會聚成像,再經(jīng)過一個放大目鏡放大成像的光學儀器。就實質來說，望遠鏡只不過是擴大人眼的視角范圍。最初它最大的用處是觀察天體，人類借助望遠鏡幾乎考察遍了太陽系所有的行星，并投向更遙遠的太空。望遠鏡延長了人眼的視線，實現(xiàn)了人類千里眼的夢想。如今，望遠鏡的使用越來越普遍，野外觀察、劇場觀看……潛望鏡、瞄準鏡等也都采用了望遠鏡的原理。

二、望遠鏡的結構

簡易天文望遠鏡由物鏡、物鏡鏡筒、目鏡、目鏡鏡筒等組成。最簡單的望遠鏡由兩片鏡片組成，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，用來糾正遠視。常見望遠鏡可簡單分為伽利略，開普勒，和牛頓式望遠鏡。伽利略發(fā)明的望遠鏡在人類認識自然的歷史中占有重要地位。它由一個凹透鏡（目鏡）和一個凸透鏡（物鏡）構成。其優(yōu)點是結構簡單，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。開普勒望遠鏡由兩個凸透鏡構成。由于兩者之間有一個實像，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)級的望遠鏡都采用此種結構。但這種結構成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。反射望遠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)代大型天文望遠鏡幾乎無一例外都是反射結構。

三、望遠鏡成像原理

望遠鏡之所以能看見很遠的物體，主要是內部核心部件透鏡對光線的折射作用而形成的。以開普勒望遠鏡例，當遠方天體發(fā)出的平行光線經(jīng)過物鏡后，在物鏡焦點外距焦點很近的地方，得到天體的倒立、縮小的實像。目鏡的前焦點和物鏡的后焦點是重合在一起的，所以實像位于目鏡和它的焦點之間離焦點很近的地方。所成實像對目鏡來說物體，再經(jīng)過目鏡成像為一正立放大的虛像。這樣，當我們對著目鏡進行觀察的時候，所看到的是天體的倒立、放大的虛像。

四、望遠鏡的制作

17世紀初的一天，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)了望遠鏡的秘密。下面我們主要講述開普勒望遠鏡的制作方法。

設計簡易天文望遠鏡，有四個指標是需要認真考慮的。

（一）放大率望遠鏡的放大率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，望遠鏡的放大率就會越大。一般來說，目鏡的焦距不能太短，否則會產(chǎn)生嚴重的像差。物鏡的焦距也不能太長，否則在望遠鏡里看到的天空范圍太窄小。也就是說望遠鏡的放大倍數(shù)要適中才好，個人使用的小型手持式望遠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，成像清晰度就會變差，同時抖動嚴重。超過12倍的望遠鏡一般使用三角架等方式加以固定。

（二）相對口徑。相對口徑是反映望遠鏡聚光本領的指標。相對口徑A等于口徑D同物鏡的焦距F的比：A=D/F。相對口徑大，在望遠鏡里看到的天體就明亮；相對口徑小，在望遠鏡里看到的天體就灰暗。

（三）視場。視場是指在望遠鏡里看到的天空范圍。如果用望遠鏡觀看天空，那么所看見的天空部分的角直徑叫做望遠鏡的視場。用ω表示。對同一架望遠鏡來說，視場同目鏡的焦距有關，一般來說，物鏡的焦距越長，放大率就越大，但視場會越小，看到的天空范圍就會越窄小。視場太小，在望遠鏡里尋找要觀測的天體會很困難。

（四）分辨角。望遠鏡的分辨角，指的是其像點剛剛能夠分辨開的個點的角距離。

明白了望遠鏡原理及要求，我們很容易制作一臺簡易的望遠鏡。制作方法具體如下：

1．選擇物鏡和目鏡。物鏡安裝在轉換器的孔上，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，把物鏡對著太陽，在鏡片的另一側放張白紙板，前后移動白紙板，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，這個距離就是鏡片的焦距。在光具座上的透鏡支架上放上兩個焦距不同的凸透鏡。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．設計鏡筒。為了便于調節(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把芯柱抽出，然后豎直放在室內晾干。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徑。當目鏡鏡筒外徑卷繞到已經(jīng)接近物鏡鏡筒內徑的時候，通過糊牛皮紙來逐漸達到要求。

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。這是制作望遠鏡的一個難點。調整好之后，把物鏡和目鏡都固定下來。這樣一架簡易的望遠鏡就做成了。

參考文獻

[1]侯如松，普通物理實驗，成都科技大學出版社.

[2]姚啟均，光學教程，高等教育出版社.