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第五章 透镜及其应用
5.5 跨学科实践：制作望远镜
公元1300年前后，意大利人开始用凸透镜制作“老花镜”。公元1450年前后，近视眼镜也开始使用了。
16世纪，荷兰人汉斯·利帕希(Hans Lippershey)将两块透镜一进医院放在眼前时，惊讶地发现远处教堂上的风标仿佛变得又大又近了。
后来，他将两块透镜装入一根金属管子，以便固定，后人称它为“光镜”。
早期望远镜
学习目标
1.了解望远镜的基本原理
2.设计一个望远镜，能够用它观察校园内远处的物体
3.根据设计方案，选用合适的器材，制作望远镜并调试
目录
contents
望远镜的基本原理
01
02
望远镜的简易设计
03
望远镜的制作及调试
04
课堂小练
望远镜的基本原理
01
想一想：使用一个凸透镜可以实现望远功能吗？
放大镜
根据凸透镜成像的规律可知，只有物距小于二倍焦距时，单个凸透镜才能成放大的像
单个凸透镜无法实现的功能，能否通过多个凸透镜的组合来实现呢？
动手做一做：试一试用不同焦距的凸透镜观看物体
f = 5 cm
f = 10 cm
[思考与讨论]
1. 估测字到凸透镜的距离，结合给定的焦距，分析与论证该凸透镜为什么会成这样的像？
2. 当物体逐渐远离凸透镜，凸透镜所成像大小会怎么变化？有什么办法可以看清楚这个像？
靠近眼睛的凸透镜
靠近被观测物体的凸透镜
物镜
目镜
镜筒
望远镜的主要结构是什么？
如何使用？
望远镜的结构
尝试使用两块凸透镜组合，观察A4纸上的字时，可以试着像望远镜那样，调节两个凸透镜间的距离，以达到最佳的观察效果。
建议：固定物镜，前后移动目镜，观察成像的情况。
f = 5 cm
f = 10 cm
动手做一做
望远镜的成像原理
（1）物镜：相当于照相机的镜头，
成倒立缩小的实像。
把物镜所成的像再放大一次。
（2）目镜：相当于放大镜（成正立放大的虚像），
O
F
F
物体
像
人眼使用望远镜看到的像比人眼看到物体大还是小？
为什么使用望远镜观察物体时，感觉物体被放大了呢？
视角──从眼睛的中心向物体两端所引的两条直线的夹角。
视角与什么因素有关？
a
a
物体对眼睛所成的视角越大，它在视网膜上所成的像就越大。
视角
视角大
a
视角小
a
距离相等时，大物体的视角大，小物体的视角小。
视角小
物体大小一定时，
看近处的物体，视角大，
远处的物体视角小。
视角大
a
a
视角的大小不仅与物体本身大小有关，还和物体到眼睛的距离有关。
望远镜的
放大倍数
=
——————
f物
f目
f物是物镜的焦距， f目是目镜的焦距。
望远镜的简易设计
02
使用望远镜时，我们前后拉动镜筒，调节目镜与物镜的距离，可以看到一个最大、最清晰的像。
如何准确知道成像的最佳距离？
为了让成像质量好一些，其放大倍数不过大，取放大倍数为2至3倍即可。
如果要制作一个望远镜，应该选择什么样的凸透镜做物镜，什么样的凸透镜做目镜？
望远镜的
放大倍数
=
——————
f物
f目
确定望远镜倍率
（1）焦距：根据放大倍数，选择焦距合适的两块凸透镜。
（2）直径：物镜的直径还要比目镜的直径大一些。
测量凸透镜的直径，以便于制作直径合适的镜筒。
选择物镜和目镜
假设物体距离物镜很远，请根据凸透镜成像特点，推理并论证成像的最佳距离。
最佳成像间距约等于物镜焦距与目镜焦距之和，即f物+f目。
确定最佳成像距离
实验步骤：①如图所示组装实验器材，调节光源、两个不同
焦距的凸透镜，使三者中心位于同一水平高度；
实验步骤：②将F型光源放在 98 cm刻度线处，物镜（f =10 cm）放在20cm刻度线处，前后调节目镜（f =5cm）直至透过凸透镜看到F型光源最大、最清晰的像。记录物镜与目镜之间最佳成像距离。
在用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节两块凸透镜间的距离。
镜筒可以设计成两段，让物镜的镜简较目镜的镜筒粗一些，这样套在一起，便于在使用时调节。
观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的焦距之和；
观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。
设计镜筒
望远镜的制作及调试
03
观察手持望远镜，尝试使用凸透镜、瓦楞纸、剪刀、胶带等材料，通过小组合作，自制一个望远镜，实现望远功能。
制作望远镜
①如图所示，分别用瓦楞纸包裹物镜、目镜，制作镜筒。
②根据测算的最佳距离，确定镜筒的长度范围。裁出凹槽，作为目镜和物镜前后调节的轨道。
③将两个镜筒嵌套在一起。根据需要，调整目镜镜筒的粗细，以便实现共轴调节。
目镜
物镜
自制望远镜
1.把目镜镜筒插入物镜镜筒内，把目镜放到眼前，通过望远镜观察远处的物体。
2.在观察时要通过对镜筒长度的调节，改变物镜与目镜间的距离，直到在望远镜中看到远处物体清晰的像为止。
望远镜的试用与调整
这里制作的望远镜使用了两块凸透镜，观察到的远处物体的像是倒立的，怎样才能通过望远镜看到正立的像呢
①是使用两个相互垂直的平面反射装置把所成的像先上下颠倒一次，再左右颠倒一次。
②是物镜使用凸透镜，目镜使用凹透镜，望远镜所成的像就是正立的了。
“科学世界”
战国时期的文献中记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”这说明人们很早就发现了北斗七星一年中的周回运转在昭示四季、节气变迁方面的重要作用。
1609年，伽利略用自制的望远镜观察天体（图5.5-7），以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。
天文望远镜的发展
伽利略制造的天文望远镜都是折射望远镜，其物镜是凸透镜，目镜是凹透镜。 玻璃对不同颜色的光具有不同的折射能力，这叫做色散。 红光的折射最少，它通过凸透镜后，聚焦在离透镜比较远的地方；橙、黄、绿、蓝、靛、紫光则依次聚焦在离透镜越来越近的地方- 如果望远镜调节得使红光的聚焦最好，那么在红光的焦点处，其他颜色的光已经越过了各自的焦点，物像周围就会出现一道稍带蓝色的环边；如果望远镜对紫光聚焦良好，那么在到达紫光的焦点时，其余颜色的光尚未到达各自的焦点，于是物像四周就形成一个稍带橙色的环- 这种色环使观测目标显得模糊了- 伽利略不明白这种“色差”的起因，当时也无法消除它。_x0002_
18 世 纪 的 英 国 律 师 兼 数 学 家 霍 尔（ Chester Moor Hall）首先想到了这一点，他发现火石玻璃的色散显著地超过冕牌玻璃，便用冕牌玻璃做凸透镜，用火石
玻璃做凹透镜，并且把两块透镜
设计得正好能够密合在一起。 这
种复合透镜能够像一个凸透镜那
样使光线聚焦，同时又在很大程
度上消除了色差。
反射望远镜
从古代起人们就知道，光线从一个凹面镜上反射，也会发生会聚。 反射镜以完全相同的方式反射所有各种颜色的光，因此不会产生色差。
1668 年，26 岁的牛顿制成人类历史上第一架真正实用的反射望远镜。 其反射镜直径约 2.5cm，焦距约 16cm，放大倍率超过 30倍，看起来却像个小玩具。 1672 年 1 月，他把口径 5cm的第二架反射望远镜送到英国皇家学会。 该镜一直保留到了今天。
消色差折射望远镜
19世纪初，德国光学家夫琅和费（ Joseph von Fraunhofer）造出了当时世界上最大最好的消色差折射望远镜，其口径为24cm. 望远镜被装在一根轴上，使之可以俯仰；轴又装在一个轮子上，使之可沿水平方向转动. 它的平衡装置非常精妙，以至于用一个手指就可以推动这架镜身长 4.3m的折射镜_x0002_
射电望远镜
课堂小练
04
1.如图所示，小明找到两个焦距不同的放大镜模拟望远镜观察远处的物体，其中较远的放大镜的功能使远处物体在焦点附近成_________（选填“虚像”或“实像”），较近的放大镜的作用是将该像_________（选填“放大”或“缩小”）。
实像
放大
答案：实像；放大
解析：望远镜是由两组凸透镜组成，观察远处的景物时，物镜成倒立，与照相机的成像原理相同；
这个倒立缩小的实像正好落在目镜焦距内的位置，目镜的作用相当于一个放大镜、放大的虚像。
2.项目学习小组在“自制望远镜”活动中选择了两块透镜，将其中一块透镜正对太阳光，观察到地面上出现了明亮的光斑，如图所示。下列说法中正确的是( )
A.该透镜是凹透镜
B.该透镜对光具有发散作用
C.该透镜可用来制作望远镜的物镜
D.可以使用这种透镜来矫正近视眼
C
答案：C
解析：AB.将透镜正对太阳光，观察到地面上出现了明亮的光斑，说明透镜对光线有会聚作用，该透镜是凸透镜，故AB错误；
C.该透镜是凸透镜，凸透镜可用来制作望远镜的物镜，故C正确；
D.凸透镜能够矫正远视眼，凹透镜可以矫正近视眼，故D错误。
故选C。
3.天文爱好者所使用的望远镜如图所示.以下判断正确的是( )
A.A镜是目镜
B.B镜是物镜
C.由于没有光屏，太空中的星体通过A镜成的是虚像
D.太空中的星体通过A镜成的像是倒立缩小的
D
答案：D
解析：望远镜的物镜和目镜都是凸透镜，靠近眼睛的是目镜，靠近物体的是物镜，故AB错误；物镜的作用是成倒立缩小的实像，故C错误，D正确.
故选D.
4.如图为一种望远镜内部部分光路图，物镜和目镜都是凸透镜，O1为物镜光心，F1为物镜焦点，O2为目镜光心，F2为目镜焦点。
（1）物体AB通过物镜成一个______（选填“正立”或“倒立”）、______（选填“放大”或“缩小”）的像；此时物镜的成像原理与______（选填“放大镜”“投影仪”或“照相机”）的成像原理相同。
（2）通过该望远镜观测物体AB时，会看到一个箭头向______（选填“上”或“下”）、______（选填“放大”或“缩小”）的______（选填“实”或“虚”）像。
倒立
缩小
照相机
下
缩小
虚
答案：（1）倒立；缩小；照相机
（2）下；缩小；虚
解析：（1）由图可知，物体AB到物镜的距离大于物镜的二倍焦距，物体AB通过物镜成一个倒立、缩小的实像，此时物镜的成像原理与照相机的成像原理相同；
（2）物体通过物镜所成的倒立、缩小的实像位于目镜的一倍焦距以内，该实像通过目镜成正立、放大的虚像，但是最后看到的是一个箭头向下、比物体小的虚像。
谢谢观看！

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