天文觀測(cè)講義

天文觀測(cè)講義學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)和掌握天文望遠(yuǎn)鏡的使用方法；學(xué)習(xí)和掌握月球和其他常見星球的天文知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)天文的興趣；實(shí)驗(yàn)儀器天文望遠(yuǎn)鏡；天文望遠(yuǎn)鏡的原理1、天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理天文望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，接近景物的凸形透鏡或凹形反射鏡叫做物鏡，靠近眼睛那塊叫做目鏡。遠(yuǎn)景物的光源視作平行光，根據(jù)光學(xué)原理，平行光經(jīng)過透鏡或球面凹形反射鏡便會(huì)聚焦在一點(diǎn)上，這就是焦點(diǎn)。焦點(diǎn)與物鏡距離就是焦距。再利用一塊比物鏡焦距短的凸透鏡或目鏡就可以把成像放大，這時(shí)觀察者覺得遠(yuǎn)處景物被拉近，看得特別清楚。O=物鏡E=目鏡f=焦點(diǎn)fo=物鏡焦距fe=目鏡焦距D=物鏡口徑d=斜鏡折射鏡是由一組透鏡組成，反射式則包括一塊鍍了反光金屬面的凹形球面鏡和把光源作90度反射的平面鏡。兩者的吸光率大致相同。2、折射和反射鏡各有優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)分別討論：（1）折射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)A影像穩(wěn)定折射式望遠(yuǎn)鏡鏡筒密封，避免了空氣對(duì)流現(xiàn)象。B彗像差矯正利用不同的透鏡組合來矯正彗像差(Coma)。C保養(yǎng)主鏡密封，不會(huì)被污垢空氣侵蝕，基本上不用保養(yǎng)。（2）折射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)1.色差不同波長光波成像在焦點(diǎn)附近，所以望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)彩色光環(huán)圍繞成像。矯正色差時(shí)要增加一塊不同折射率的透鏡，但矯正大口徑鏡就不容易了。鏡筒長為了消除色差，設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)就要把焦距盡量增長，約主鏡口徑的十五倍，以六吋口徑計(jì)算，便是七呎半長，而且用起來又不方便，業(yè)余制鏡者要造一座這樣長而穩(wěn)定度高的腳架很是困難的一回事。價(jià)錢貴光線要穿過透鏡關(guān)系，所以要采用清晰度高，質(zhì)地優(yōu)良的玻璃，這樣價(jià)錢就貴許多。全部完成后的價(jià)錢也比同一口徑的反射鏡貴數(shù)倍至十?dāng)?shù)倍?。?）反射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)A消色差。任何可見光均聚焦于一點(diǎn)。B鏡筒短通常鏡筒長度只有主鏡直徑八倍，所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡筒操作力便，又容易制造穩(wěn)定性高的腳架。C價(jià)錢便宜光線只在主鏡表面反射，制鏡者可以購買較經(jīng)濟(jì)的普通玻璃去制造反射鏡的主要部份。（4）反射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)1.遮光。對(duì)角鏡放置在主鏡前，把部份入射光線遮掉，而對(duì)角鏡支架又產(chǎn)生繞射，三支架或四支架的便形成六條或四條由光星發(fā)射出來的光線?？梢岳媒贡劝酥潦脑O(shè)計(jì)減低遮光率。2.影像不穩(wěn)定開放式的鏡筒往往產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象，很難完滿地解決問題。所以在高倍看行星表面精細(xì)部份時(shí)便不容易了。3.主鏡便形溫度變化和機(jī)械因素，使主鏡變形，焦點(diǎn)也跟著改變，形成球面差，球面差就是主鏡旁邊線和近光軸的平行光線聚焦于不同地方，但小口徑鏡不成問題。4.保養(yǎng)鍍上主鏡表面的驢或銀，受空氣污染影響，要半年再鍍一次。不過一塊良好的真空電鍍鏡面可維持?jǐn)?shù)年之久。折射望遠(yuǎn)鏡由二塊透鏡組成，總共要磨四邊光學(xué)面，反射望遠(yuǎn)鏡只需要磨一邊光學(xué)面，所以制造反射式望遠(yuǎn)鏡花費(fèi)較少時(shí)間。技術(shù)精良的話，一副自制的六吋口徑反射望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量隨時(shí)超過市面出售的三吋折射望遠(yuǎn)鏡。至于選擇何種類型的望遠(yuǎn)鏡則是根據(jù)天文愛好者的需要和喜愛而定。通常一枝四吋以下的折射望遠(yuǎn)鏡已足夠作普通觀測(cè)研究的用途。如果興趣是觀察行星或雙星，便應(yīng)該設(shè)計(jì)八吋口徑而放大倍數(shù)高的反射望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)槿绱舜罂趶降恼凵溏R十分難制造，價(jià)錢非常昂貴，而且又非常笨重。從經(jīng)濟(jì)和難度考慮，初學(xué)者最適宜自制反射式望遠(yuǎn)鏡。3、反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)反射望遠(yuǎn)鏡有數(shù)種設(shè)計(jì)，現(xiàn)在只談?wù)劷Y(jié)構(gòu)簡單的牛頓式。牛頓式望遠(yuǎn)鏡最主要的結(jié)構(gòu)是一塊鍍上反射物質(zhì)的球面或拋物面玻璃。球面鏡作用是把星星來的平行光反射聚焦一點(diǎn)，然后靠一塊細(xì)小光學(xué)平面鏡放置于焦點(diǎn)前，把光作90度角的反射至望遠(yuǎn)鏡筒的邊緣，再由一塊凸透鏡將形像放大，便獲得普通望遠(yuǎn)鏡應(yīng)有的效果。不過球面鏡中心和旁邊的反射角不同，故此成像并不完全聚焦于同一點(diǎn)上，而形成球面差；但拋物面卻可矯正這缺點(diǎn)，使離開光軸較遠(yuǎn)的光線也可以同時(shí)聚于焦點(diǎn)上，因此實(shí)際上牛頓式望遠(yuǎn)鏡主鏡乃拋物線面。球面鏡成像拋物面成像設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)要考慮到它的實(shí)際用途，我們是用來觀察或是攝影的，我們要求的放大倍數(shù)等等，這便要介紹一下影響望遠(yuǎn)鏡用途的各種因素。放大倍數(shù)1吋=25.4毫米(mm)直徑(吋)直徑(mm)最低有效倍數(shù)最高有效倍數(shù)1253.55025171002.56391253761015041001420061502130082002840010250355001230042600望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)是物鏡和目鏡焦距之比。即物鏡焦距越長，放大倍率越高；目鏡焦距越短，放大倍率越高。放大率亦可以量度入射瞳孔和出射瞳孔的直徑求得，入射瞳孔通常即望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑。放大倍數(shù)越低，影像越清晰，最宜觀測(cè)暗星云。放大率高則可用來看行星表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，但光度很弱。每枝望遠(yuǎn)鏡的最高有效放大倍數(shù)是物鏡直徑的50倍。例如六吋口徑望遠(yuǎn)鏡便可放大到300倍。雖然天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡焦距是不能改變的，但望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)則不是固定的，它可以通過變換目鏡焦距的方式而獲得不同的倍率。但目鏡制造困難，多數(shù)購自光學(xué)商店，業(yè)余制鏡者只自制主鏡部份。即：放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡口徑=入射瞳孔直徑/出射瞳孔直徑焦比(FocalRatio)望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)不能無限制的增加，即目鏡不能太短；最短約四毫米，主鏡焦距亦不能太長，究竟焦距長度如何決定呢？通常焦距和物鏡直徑的比例不能超過一個(gè)數(shù)值，它們的比值稱為焦比，焦比是用來表示望遠(yuǎn)鏡的特性的指標(biāo)，焦比即照相機(jī)上的光圈，焦比值多數(shù)定于2.5和11之間。例如六吋望遠(yuǎn)鏡焦距最長可達(dá)66吋，最短是15吋。焦比的限制是和望遠(yuǎn)鏡的曲率有關(guān)，焦比大，球面和拋物面值相差不遠(yuǎn)，主鏡磨成球面便行。但焦比太大，鏡筒便會(huì)很長，搬運(yùn)不方便，腳架制作也不容易。焦比短，球面主鏡便不能把平行光聚于一點(diǎn)，形成球面差，那時(shí)要將球面修改成拋物面就頗費(fèi)功夫。另一方面，照相曝光時(shí)間和焦比的平方成正比，所以焦比值越小曝光時(shí)間越短，拍攝暗星體時(shí)便很有用，故多用作觀測(cè)或拍攝星云、星團(tuán)。焦比大，焦距長度增加，放大倍率高，故此多用作觀測(cè)行星。即：焦比=焦距/物鏡直徑（通常會(huì)寫成F/或F值）集光本領(lǐng)(LightGatheringPower)直徑直徑集光本領(lǐng)極限星等吋毫米倍星等2.5638110.837611811.2410020411.8615045913.0820082013.310250130013.812300180014.214350250014.516400330014.818450410015.120500510015.3望遠(yuǎn)鏡口徑越大，集光力愈強(qiáng)，可以看見星星的數(shù)目亦增加，集光力是收音機(jī)收集光線比眼睛強(qiáng)多少倍的意思。集光本領(lǐng)乃望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑平方和瞳孔直徑平方之比。人的瞳孔，日間受光影響，故收縮，晚上則盡量擴(kuò)大，直徑伸縮由四毫米至八毫米，平均值是七毫米。望遠(yuǎn)鏡比肉眼大上許多倍，以一枝150毫米即六吋口徑反射鏡來記算，就比肉眼看東西明亮495倍。當(dāng)然望遠(yuǎn)鏡口徑大還可以觀察到更加暗的星星，口徑和星等的關(guān)系如右。人的瞳孔是固定的，所以要增加集光本領(lǐng)就唯有向物鏡直徑打主意，造一枝大口徑望遠(yuǎn)鏡。但大口徑鏡的球面和拋物面值相差頗大，一定要磨成拋物面，初學(xué)者未掌握好磨鏡技術(shù)的話，因該以小口徑開始。另外大口徑望遠(yuǎn)鏡又必須做一座重型精密、穩(wěn)定性高的腳架，否則在調(diào)校光軸，對(duì)準(zhǔn)星體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)困難。而機(jī)械制作所花的時(shí)間可能還比磨鏡還多，怎樣可令至初學(xué)者興趣慢慢減低。而搬運(yùn)如此重的裝備往郊外觀測(cè)也很成問題。經(jīng)歷數(shù)次辛勞后，望遠(yuǎn)鏡可能被放置在屋角去渡其晚年。即：集光本領(lǐng)=物鏡直徑（mm)平方/49極限星等=1.77+5xlog物鏡直徑（mm)=8.8+5xlog物鏡直徑（吋）分辨本領(lǐng)(ResolvingPower)直徑直徑分辨本領(lǐng)吋毫米弧秒2.5631.823761.5241001.1461500.7682000.57102500.46123000.38143500.33164000.29184500.25205000.23集光本領(lǐng)，放大倍數(shù)并不能表達(dá)望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量，望遠(yuǎn)鏡質(zhì)地取決于它的分辨本領(lǐng)，它就是分開兩顆很相近的雙星的最高能力。分辨力高，星像清晰的六吋鏡會(huì)遠(yuǎn)比只得集光力強(qiáng)的大口徑十吋鏡實(shí)用得多。天文觀察要求光學(xué)質(zhì)量最高，若大口徑鏡只看見模糊的星像，用處就不大，只可用來看看風(fēng)景吧!英國業(yè)余天文學(xué)家杜氏(Dawes)根據(jù)觀測(cè)雙星的經(jīng)驗(yàn)，記算出望遠(yuǎn)鏡口徑的最高分辨能力，這就是著名的杜氏極限(Dawes\'Limit)。六吋口徑望遠(yuǎn)鏡，分辨本領(lǐng)最高是0.76弧秒，雖然因星空觀察受大氣流動(dòng)影響，而會(huì)使分辨本領(lǐng)降至一弧秒，但已經(jīng)比肉眼只可分辨兩顆距離一弧分以上雙星的能力要大上六十倍。以天文愛好者的需要和能力來決定定，初學(xué)者最適宜自制一枝六吋口徑，48吋焦距，焦比是八的牛頓式望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)橹麋R只需要磨成一個(gè)球面，鏡筒短，腳架制造比較容易。若喜歡輕巧和方便攜帶的可造一枝120毫米口徑，720毫米焦距，即f/6的望遠(yuǎn)鏡。計(jì)算方法：分辨本領(lǐng)=116/物鏡直徑（mm)(單位：弧秒）=4.56/物鏡直徑(吋)(單位：弧秒)實(shí)驗(yàn)過程1、

關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦及十字線尋鏡的校準(zhǔn)

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把目鏡接筒上的兩個(gè)緊固螺釘松開。取出低倍目鏡把它裝到目鏡接筒上，再把螺釘擰緊。調(diào)節(jié)調(diào)焦旋鈕可以獲得對(duì)遠(yuǎn)處某個(gè)物體A的模糊影像，再慢慢前后調(diào)節(jié)調(diào)焦旋鈕，直到物像清晰為止。望遠(yuǎn)鏡已精確地調(diào)好焦距，現(xiàn)在可以用尋星鏡觀測(cè)了。如果尋星鏡不在焦距上，就轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡直到出現(xiàn)清晰的景像。當(dāng)您在望遠(yuǎn)鏡上看到的物體A的物像不在尋星鏡地十字線中心時(shí)，按如下方法調(diào)節(jié)：擰緊或松開尋星鏡支架上的在介螺釘，使尋星鏡上下，左右工斜方向移動(dòng)。當(dāng)物體A的物像出現(xiàn)在十字線的中心時(shí)，您的尋星鏡就校好了，最后擰緊三個(gè)螺釘。再把低倍目鏡換成高倍目鏡，重復(fù)上述程序。如果在最高倍率目鏡下觀察到的像中心，同時(shí)也在尋星鏡的十字線中心，您的尋星鏡就調(diào)準(zhǔn)了?，F(xiàn)在可以快速尋找您想觀察的天體了。在極特殊的情況下，尋星鏡可能還需要調(diào)節(jié)。

2、注意事項(xiàng)：

A、任何情況下，先用尋星鏡尋找物體，因?yàn)閷ば晴R的視角更大，這樣可以極大加快您的粗調(diào)的速度。

B、一般情況下，先裝低倍目鏡，在逐漸提高您所需要的倍數(shù)，當(dāng)您換目鏡時(shí)要進(jìn)行必要的調(diào)焦。

C、不要被您看到的上下、左右顛倒的圖像所困擾，對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡來說這是一個(gè)正常情況。

3、有效觀察須知

如果望遠(yuǎn)鏡第一次拿到戶外置于比室內(nèi)溫度低的空氣中，須過幾分鐘再使用它---因?yàn)闇夭顣?huì)使透鏡蒙上霧氣。15-20分鐘后這個(gè)現(xiàn)象會(huì)消失。如果您的眼瞼或手指觸到目鏡，要用不起毛的布輕輕的擦拭目鏡，以防出現(xiàn)模糊圖像。大約需要30分鐘您的瞳孔才能放大適應(yīng)黑暗，因而夜間使用望遠(yuǎn)鏡，在半個(gè)小時(shí)后您能看見暗得多的天體。

4、可能影響觀測(cè)結(jié)果的各種因素

觀測(cè)結(jié)果好壞并非全取于望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)性能，還有許多因素同樣影響著影像的品質(zhì)。

A、包圍著地球的大氣總是在運(yùn)動(dòng)著，這種大氣的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，在高倍率下特別會(huì)造成不良影像，或許過幾個(gè)夜晚之后，觀測(cè)的情況會(huì)好轉(zhuǎn)。

B、地球表面的熱氣，也會(huì)造成空氣的波動(dòng)而使得影像扭曲、變形，造成觀測(cè)情況會(huì)很差。

C、望遠(yuǎn)鏡與星體及地平線構(gòu)成的觀測(cè)角對(duì)觀測(cè)效果的影響很大：若被測(cè)星體接近于地平線，目標(biāo)將會(huì)模糊不清。

D、光源的污染：盡可能在無光的環(huán)境下使用您的望遠(yuǎn)鏡（例如：街燈下、房間燈光下等等），高倍率天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)光線是非常敏感的，在靠近市區(qū)，亮光的影響更明顯，似乎許多星星都會(huì)在靠近市區(qū)的上空消失。

E、月光也可能是影響觀測(cè)的另一個(gè)因素，刺眼的滿月或明亮