5.5 跨學(xué)科實(shí)踐：制作望遠(yuǎn)鏡-講義

第五章透鏡及其應(yīng)用第5節(jié)跨學(xué)科實(shí)踐：制作望遠(yuǎn)鏡講義【知識導(dǎo)圖】一、項(xiàng)目提出科學(xué)家利用巨大的天文望遠(yuǎn)鏡接收來自遙遠(yuǎn)星系的信息。通過分析這些信息，人們對宇宙了解得越來越深入了。根據(jù)透鏡成像的知識，你也可以自己制作一個如圖所示的望遠(yuǎn)鏡?；蛟S你能用它獲得新的發(fā)現(xiàn)呢！二、項(xiàng)目分析要自己制作望遠(yuǎn)鏡，你需要完成以下任務(wù)。1.了解望遠(yuǎn)鏡的基本原理。2.設(shè)計(jì)一個望遠(yuǎn)鏡，能夠用它觀察校園內(nèi)遠(yuǎn)處的物體。3.根據(jù)你的設(shè)計(jì)方案，選用合適的器材，制作。個望遠(yuǎn)鏡并進(jìn)行調(diào)試。三、項(xiàng)目實(shí)施任務(wù)一：了解望遠(yuǎn)鏡的基本原理1.望遠(yuǎn)鏡的類型：思考：望遠(yuǎn)鏡的主要結(jié)構(gòu)是什么？如何使用？2.望遠(yuǎn)鏡的基本構(gòu)造：望遠(yuǎn)鏡有不同的類型，其中有一種望遠(yuǎn)鏡是由兩組凸透鏡組成的。靠近眼睛的凸透鏡叫做目鏡?？拷挥^察物體的凸透鏡叫物鏡。3.望遠(yuǎn)鏡的成像原理：物鏡：相當(dāng)于照相機(jī)的鏡頭，使遠(yuǎn)處的物體在焦點(diǎn)附近成倒立、縮小的實(shí)像。目鏡：相當(dāng)于一個放大鏡，成正立、放大的虛像。兩次成像，先縮小，后放大。物體距離物鏡很遠(yuǎn)，它的像卻離物鏡很近，根據(jù)前面探究的結(jié)果，這樣所成的像應(yīng)該是縮小的，為什么使用望遠(yuǎn)鏡觀察物體時會感到物體被放大了？4.視角：從眼睛的中心向物體兩端所引的兩條直線的夾角。思考：視角和什么有關(guān)呢？（1）視角大小和物體本身的大小有關(guān)（2）視角的大小還和物體到眼睛的距離有關(guān)。望遠(yuǎn)鏡對視角的放大：望遠(yuǎn)鏡的物鏡所成的像雖然比原來的物體小，但它離我們的眼睛很近，再加上目鏡的放大作用，視角就可以變得很大。望遠(yuǎn)鏡的放大倍率：進(jìn)一步的分析表明：如圖所示的望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為物鏡的焦距與目鏡的焦距之比。任務(wù)二：設(shè)計(jì)簡易望遠(yuǎn)鏡1.確定望遠(yuǎn)鏡的放大倍率：自制的望遠(yuǎn)鏡可以采用單片的凸透鏡作為目鏡和物鏡。為了讓成像質(zhì)量好一些，其放大倍率不宜過大，取放大倍率為2~3倍即可。2.選擇物鏡和目鏡：望遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡可以選擇老人閱讀用放大鏡的鏡片，也可以使用老花鏡的鏡片，還可以直接購買凸透鏡。利用本章所學(xué)知識測量凸透鏡的焦距，并根據(jù)放大倍率的要求，選擇適當(dāng)焦距的凸透鏡分別作為物鏡和目鏡。目鏡和物鏡的選擇標(biāo)準(zhǔn)：在選擇兩塊凸透鏡時，除了需要滿足焦距的要求，物鏡的直徑還要比目鏡的直徑大一些。測量凸透鏡的直徑，以便制作直徑合適的鏡筒。選擇焦距較長、直徑較大的凸透鏡作為物鏡；選擇焦距較短、直徑較小的凸透鏡作為目鏡。3.設(shè)計(jì)鏡筒：在用望遠(yuǎn)鏡對不同遠(yuǎn)近的物體進(jìn)行觀察時，需要調(diào)節(jié)兩塊凸透鏡間的距離。如圖所示，鏡筒可以設(shè)計(jì)成兩段，讓物鏡的鏡筒較目鏡的鏡筒粗一些，這樣套在一起，便于在使用時調(diào)節(jié)。觀察最遠(yuǎn)處的物體時，兩塊凸透鏡間的距離約等于兩塊凸透鏡的焦距之和；觀察較近處的物體時，兩塊凸透鏡間的距離要稍大一些。任務(wù)三：制作及調(diào)試望遠(yuǎn)鏡1.制作：根據(jù)所選凸透鏡的焦距和直徑制作鏡筒。嘗試使用凸透鏡、瓦楞紙、剪刀、膠帶等材料，通過小組合作，自制一個望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)功能。減小望遠(yuǎn)鏡兩個鏡筒間的縫隙：精確設(shè)計(jì)：確保兩鏡筒直徑相近，預(yù)留調(diào)節(jié)空間以便調(diào)試?？p隙處理：使用軟質(zhì)填充物（泡沫、橡膠條）減小縫隙，或粘貼裝飾條美化并遮蓋縫隙，確保不影響觀測且風(fēng)格協(xié)調(diào)。每段鏡筒的長度：物鏡的焦距約為20cm，直徑約為5cm；目鏡的焦距約為10cm，直徑約為4cm。物鏡鏡筒長度：考慮到物鏡焦距約20cm及調(diào)節(jié)空間，設(shè)計(jì)長度為約25cm。目鏡鏡筒長度：為確保觀察舒適與輕便，設(shè)計(jì)長度為10-15cm。鏡筒的制作：制作時，根據(jù)凸透鏡的焦距、直徑等數(shù)據(jù)，以及對鏡筒長度的要求，我們可以利用現(xiàn)成的圓筒狀物品（如裝羽毛球的筒），也可以通過截取適當(dāng)尺寸的長方形紙板（如瓦楞紙板或其他材料），并把它卷起來制成鏡筒。物鏡和目鏡的固定：用雙面膠或者膠槍等將目鏡和物鏡固定在鏡筒上。2.試用與調(diào)整：把目鏡鏡筒插入物鏡鏡筒內(nèi)，把目鏡放到眼前，通過望遠(yuǎn)鏡觀察遠(yuǎn)處的物體。在觀察時要通過對鏡筒長度的調(diào)節(jié)，改變物鏡與目鏡間的距離，直到在望遠(yuǎn)鏡中看到遠(yuǎn)處物體清晰的像為止。組裝：確保目鏡和物鏡正確安裝在鏡筒內(nèi)，連接穩(wěn)固。初步觀察：對準(zhǔn)遠(yuǎn)處物體，初步查看成像。調(diào)節(jié)距離：通過調(diào)整鏡筒長度（或目鏡位置），改變物鏡與目鏡間的距離。尋找最佳成像：持續(xù)調(diào)整，直到看到最清晰的像。固定：將鏡筒固定在最佳成像位置。進(jìn)一步優(yōu)化（如需要）：調(diào)整瞳距、清潔透鏡等，以提升成像質(zhì)量。四、展示交流向其他同學(xué)展示你的成果，介紹你的制作方案，分享你的收獲。例如，在制作望遠(yuǎn)鏡的過程中，你發(fā)現(xiàn)了哪些問題？你是如何改進(jìn)的？還要傾聽其他同學(xué)的講解，看看對你有什么啟發(fā)。同學(xué)之間相互評價，比一比誰的望遠(yuǎn)鏡更完善。問題1：為什么通過簡易望遠(yuǎn)鏡看到的像偏暗？原因：透鏡透光率不足、望遠(yuǎn)鏡口徑較小、觀測環(huán)境光線暗或大氣條件差等。改進(jìn)方法：增大物鏡口徑：可以增大物鏡的口徑，以提高收集光線的能力。使用增光鏡：在物鏡前安裝增光鏡，以增加進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光線量。調(diào)整觀測時間：選擇在光線更好的時段進(jìn)行觀測，如黃昏或清晨。問題2：為什么通過簡易望遠(yuǎn)鏡看到的像是倒立的？原因：主要是透鏡組合導(dǎo)致的。物鏡形成倒立實(shí)像，目鏡放大此實(shí)像但保持其倒立狀態(tài)。改進(jìn)方法：第一種：使用兩個相互垂直的平面反射裝置把所成的像先上下顛倒一次，再左右顛倒一次，軍用望遠(yuǎn)鏡就采用的這種方法；第二種：物鏡使用凸透鏡，目鏡使用凹透鏡，望遠(yuǎn)鏡所成的像就是正立的了，伽利略望遠(yuǎn)鏡就采用的這種方法。結(jié)合上述的問題，改進(jìn)你制作的望遠(yuǎn)鏡，也可以針對你發(fā)現(xiàn)的望遠(yuǎn)鏡的其它問題，設(shè)計(jì)改進(jìn)的辦法，讓你的望遠(yuǎn)鏡更加完善！五、科學(xué)世界望遠(yuǎn)鏡與宇宙探索在人類歷史的早期，人們利用肉眼觀測象。后來人們通過測量天體的運(yùn)動、制定歷法，指導(dǎo)人們的生產(chǎn)生活。例如，戰(zhàn)國時期的文獻(xiàn)中記載：“斗柄東指，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?！边@說明人們很早就發(fā)現(xiàn)了北斗七星一年中的周回運(yùn)轉(zhuǎn)在昭示四季、節(jié)氣變遷方面的重要作用。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明大大擴(kuò)展了人類觀測天空的視野。第一位把望遠(yuǎn)鏡指向天空的是意大利物理學(xué)家伽利略。1609年，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡觀察天體，以確鑿的證據(jù)支持了哥白尼的“日心說”。他還第一個觀察到了木星的衛(wèi)星、太陽黑子和月球上的環(huán)形山。1846年，科學(xué)家根據(jù)牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律，猜想天王星外還存在一顆未知的行星，并計(jì)算出這顆行星的運(yùn)動軌道。不久，人們用望遠(yuǎn)鏡在預(yù)測的位置發(fā)現(xiàn)了這顆行星，它被命名為“海王星”。這一發(fā)現(xiàn)為萬有引力定律提供了有力的支持。1990年，科學(xué)家把哈勃空間望遠(yuǎn)鏡送入太空，使人類觀測宇宙的能力空前提高。除光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡外，人們還發(fā)明了其他觀測太空的儀器，如射電天文望遠(yuǎn)鏡，這使人類對宇宙的了解越來越深入。我國不僅古代在天文觀測上取得了豐碩的成果，在現(xiàn)代也對宇宙探索作出了很大貢獻(xiàn)。2009年，郭守敬望遠(yuǎn)鏡建成，并于2011年啟動光譜巡天任務(wù)，成為世界上第一個獲取光譜數(shù)突破千萬量級的望遠(yuǎn)鏡。2020年，中國天眼正式開放運(yùn)行，它是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠(yuǎn)鏡。通過對宇宙的不懈探索，我們現(xiàn)在知道，宇宙中擁有上千億個星系，銀河系只是這上千億個星系中的一個。銀河系異常巨大，一束光穿越銀河系需要約10萬年的時間。太陽不過是銀河系中幾千億顆恒星中的一員。太