《透過透鏡看世界》教案

一、本節三維目標要求

1.知識和技能

知道望遠鏡、顯微鏡是由多個透鏡組合而成的。

瞭解望遠鏡、顯微鏡的基本作用。

2、過程與方法

經歷利用兩個透鏡組成望遠鏡的實踐過程。

經歷利用兩個透鏡組成顯微鏡的實驗操作過程。

初步學習逆向、類比的物理思維方法。

3、情感、態度與價值觀

激發學生對宇觀世界和微觀世界進行觀測的興趣。

增強學生的自然審美能力，培養熱愛自然、熱愛科學的情感。

進一步形成科學的認識觀。

二、重點與難點

本節的重點是讓學生利用凸透鏡自行組裝望遠鏡和顯微鏡的兩個動手操作過程。

本節的難點在於如何啓發並正確指導學生完成這兩個實踐活動。

二、教學實施建議

望遠鏡和顯微鏡是透鏡在軍事、科技和生產中的重要應用。課程標準對這一部分的內容未作明確要求，但是爲了進一步拓展對 “凸透鏡成像的應用”的瞭解，教材吸納了這方面的內容。基於課程標準的要求範圍，本節教學在“知識與技能”上不作深入要求，只是讓學生知道望遠鏡、顯微鏡是由透鏡組成的，望遠鏡和顯微鏡有哪些用途即可。本節的教學目標着重在於讓學生透過自主性探究過程，體驗逆向思維、類比等物理方法；同時透過教材提供的宇觀與微觀圖片欣賞，讓學生進一步認識自然的奇異與和諧，意識到自然界是可以認識的，樹立正確的世界觀。

（一）教學過程

本節分爲四個教學板塊：

（1）“做一架望遠鏡”的“動手做”實踐活動；

（2）欣賞宇宙空間圖片以及對各種類型望遠鏡的瞭解；

（3）“做一架顯微鏡”的“動手做”實踐活動；

（4）微觀世界的圖片欣賞。教學過程可以按照這四個板塊的順序依次進行。

1.“動手做”實踐活動

本節包括兩個“動手做”實踐活動。教學中，教師應指導學生選擇兩個焦距不同的凸透鏡和兩個凹透鏡。因爲望遠鏡和顯微鏡對於許多學生而言是比較陌生而充滿神祕感的，因此學生在得知本節課的內容後通常會產生較爲濃厚的興趣。

可以鼓勵學生提出對望遠鏡與顯微鏡的一些疑惑，讓全體學生進行交流與討論，如果未得到解決，則可以讓學生帶着這些問題，進入動手操作階段。因爲這一操作比較簡單，而且教材中也提供了相關的指導，教師不必限定學生的操作規程，給予學生足夠的自主空間。

在操作之前，也可以強調實踐活動過程中的注意事項。首先，透鏡屬於玻璃製品，爲了防止落地而造成損壞，應該讓學生在簡易光具臺上進行操作，並輕拿輕放，這樣也利於使多個透鏡光軸重合。其次，應禁止學生用手觸摸透鏡的玻璃表面，以免玷污，養成愛護實驗器材的習慣。此外，要避免學生將調整好的“望遠鏡”直接對着太陽觀察的現象發生。

在操作過程中，因爲透鏡比較多，可以鼓勵學生作不同的嘗試，包括採用兩個凸透鏡、一個凸透鏡和一個凹透鏡、兩個凹透鏡、多個透鏡等多種組合，其中還可以對透鏡焦距作選擇，對觀察方向作選擇等等。在實現望遠或者顯微功能後，可以讓學生改變兩個透鏡之間的距離，觀察望遠或顯微效果的變化。

在各組學生都已經調整好自己的望遠鏡可以讓學生們觀察同一個物體，如在實驗室的講桌上立起一本書，讓學生用望遠鏡觀察上邊的的頁碼等等。這樣的環節旨在增加學生的動手興趣。在操作基本完成之後，讓學生回顧自己的操作心得，總結出望遠鏡（顯微鏡）的基本組成。並回答動手做之前的提出的問題。學生的回答往往是不完整的，教師應給予總結。但是對於望遠鏡與顯微鏡的原理的剖析，已經超出課程標準要求的範疇，可以不做深究。

2．物理欣賞

教材提供了較大版面以及圖片介紹望遠鏡和顯微鏡的各種類型以及觀測效果。對於望遠鏡與顯微鏡發展歷史，教師可以給予一定的介紹，例如分別簡單說明伽利略望遠鏡、開普勒折射望遠鏡以及牛頓反射望遠鏡的性能以及適用範圍等，並且可以結合本冊教材第一章第一節中涉及的哈勃太空望遠鏡，說明望遠鏡的重要用途以及技術變革等等。對於顯微鏡也可以做這樣的簡單介紹，如介紹從胡克發明的第一臺顯微鏡到目前常用的顯微鏡（圖4-7-10），進而到電子顯微鏡、掃瞄隧道顯微鏡的歷史沿革等。在涉及的內容中，學生往往因爲不瞭解這些望遠鏡的原理而產生疑問，可以讓他們透過查詢資料獲取相關資訊。

在對歷史的回顧之後，可以讓學生欣賞課文中的一系列圖片，體會自然界的奇異與和諧，例如因爲太遠而肉眼無法觀察到的月球上的環形山，因爲太細微而無法感知的西瓜表皮上的絨毛等等。此外，可以比較肉眼和望遠鏡、顯微鏡這些儀器的分辨能力的差別，讓學生體會科學技術擴展人類視覺的能力。正常人眼最多能分辨大約爲0.1mm的細微物體，而隧道顯微鏡可以看到直徑數量級爲10-10m的原子；人的正常視力（指小數視力1.0）能夠在5m之外分辨邊長約7.3mm的“E”字，而哈勃太空望遠鏡的“視力”是看到約16 000km外的螢火蟲！以上這些比較都可以讓學生意識到科技的無窮力量，意識到自然界是可以爲人類所認識的，從而樹立正確的世界觀。

整個教學過程中，學生自主操作與自由分析始終是教學的中心，教師要把握好講解的時間分配的尺度，讓學生充分經歷“動手做”的過程，同時引導他們“動腦想”，體會這些運用光學規律的儀器的應用價值與社會意義。

（二）材料準備與實驗設計

1.實驗材料準備

圖4-7-1

本節教學需要準備的材料如下：兩個不同焦距的凸透鏡。

2.實驗設計

自制水滴顯微鏡

把一個帶針孔的硬紙板平放在兩個火柴盒上（圖4-7-1），離桌面大約十五毫米。在針孔上滴一滴水，水滴的直徑是四到五毫米。在火柴盒下鋪上一張白紙，在紙上畫一個極小的箭頭，作爲觀察對象。

透過這個小水滴，應該看到一個和原來方向相反的放大了的箭頭(如果不是這樣，就要調整水滴跟桌面的距離，或者改變水滴的直徑)。這是一個被水滴放大了的實象。然後再用一隻放大鏡來觀察水滴。改變放大鏡和水滴之間的距離，可以找到一個合適位置，看到一個清晰的被放得很大的箭頭。

將箭頭換成一些細鹽粒。可以發現，每一小粒鹽都是一個正方體。

三、教學資源

（一）教學視頻

1.哈勃望遠鏡

2.微小的世界（見“教師備課系統”光盤）

（二）參考資料

1.望遠鏡的發展簡史

從第一架光學望遠鏡到射電望遠鏡誕生的三百多年中，光學望遠鏡一直是天文觀測最重要的工具。

（1）折射式望遠鏡

圖4-7-4 牛頓反射式望遠鏡光路圖

圖4-7-2 伽利略望遠鏡光路圖

圖4-7-3 開普勒望遠鏡光路圖1609年，伽利略製作了一架口徑4.2釐米，長約1.2米的望遠鏡。他是用平凸透鏡作爲物鏡，凹透鏡作爲目鏡，這種光學系統稱爲伽利略式望遠鏡。伽利略用這架望遠鏡得到了一系列的重要發現，天文學從此進入瞭望遠鏡時代。

1611年，德國天文學家開普勒用兩片凸透鏡分別作爲物鏡和目鏡，使放大倍數有了明顯的提高，以後人們將這種光學系統稱爲開普勒式望遠鏡。

現在人們用的折射式望遠鏡還是這兩種形式，天文望遠鏡採用的是開普勒式。

折射望遠鏡的優點是焦距長，底片比例尺大，對鏡筒彎曲不敏感，最適合於做天體測量方面的工作。但是因爲從技術上無法鑄造出大塊完美無缺的玻璃做透鏡，以及重力會使大尺寸透鏡有明顯變形，因而折射望遠鏡發展較爲緩慢。

（2）反射式望遠鏡

1668年，牛頓發明了第一架反射式望遠鏡，他採用凹面反射鏡作爲主鏡，並在主鏡的焦點前面放置了一個與主鏡成45°角的反射鏡，使經主鏡反射後的會聚光經反射鏡以90°角反射出鏡筒後到達目鏡。這種系統稱爲牛頓式反射望遠鏡。

1672年，法國人卡塞格林利用凹面鏡和凸面鏡，設計了現在最常用的卡賽格林式反射望遠鏡。這種望遠鏡焦距長而鏡身短，放大倍率大，圖象清晰；既可用來研究小視場內的天體，又可用以拍攝大面積的天體。哈勃太空望遠鏡採用的就是這種反射望遠鏡。

1918年末，口徑爲254cm的胡克望遠鏡投入使用，這是由海爾主持建造的。天文學家用這架望遠鏡第一次揭示了銀河系的真實大小和我們在其中所處的位置，更爲重要的是，哈勃的宇宙膨脹理論就是用胡克望遠鏡觀測的結果。

（3）折反射式望遠鏡：

折反射式望遠鏡最早出現於1814年。1931年，德國光學家施密特用一塊別具一格的接近於平行板的非球面薄透鏡作爲改正鏡，與球面反射鏡配合，製成了可以消除球差和軸外象差的施密特式折反射望遠鏡，這種望遠鏡光力強、視場大、象差小，適合於拍攝大面積的天區照片，尤其是對闇弱星雲的拍照效果非常突出。施密特望遠鏡已經成了天文觀測的重要工具。1940年馬克蘇托夫用一個彎月形狀透鏡作爲改正透鏡，製造出另一種類型的折反射望遠鏡，它的兩個表面是兩個曲率不同的球面，相差不大，但曲率和厚度都很大。它的所有表面均爲球面，比施密特式望遠鏡的改正板容易磨製，鏡筒也比較短，但視場比施密特式望遠鏡小，對玻璃的要求也高一些。

由於折反射式望遠鏡能兼顧折射和反射兩種望遠鏡的優點，非常適合業餘的天文觀測和天文攝影，並且得到了廣大天文愛好者的喜愛。

2、遠東最亮的“眼睛”

我國自行設計研製的2．16米大型光學天文望遠鏡，就安裝在燕山深處海拔蝴米的北京天文臺興隆觀測站。這臺三層樓高的龐然大物是目前我國也是遠東地區最大口徑的現代化望遠鏡。

它的最大特點是採用中繼鏡做折軸系統轉換。這是當今世界上我國天文工作者的創新設計。國外的望遠鏡，這個零系統和折軸系統，需要更換時要使用不同的副鏡。這樣做，往往會引起整值誤差，降低成像質量，有的更換還需要花費不少時間，影響天文觀測。而我國新研製的望遠鏡採用了新的折軸系統方案。這個方案裏面折軸系統和卡非靈系統是共用同一個副鏡，不需要更換。它是透過增加一塊反射鏡，稱爲中繼鏡，來實現這樣一個方案的。國外對這個折軸系統給予了很高的評價。美國著名的天文光學家壘雷爾教授把這個系統的中繼鏡命名爲s、y、z中繼鏡，就是輸定強，原希木，正必方中繼鏡。中國人的首創，得到世界天文學界的認同。正在研製中的世界最大的望遠鏡，歐洲南方天文臺B、I、T中也採用了s、y、z中繼鏡的思路和折軸系統。

2．16米望遠鏡的機械傳動採用了先進的油電系統。使重達95噸的望遠鏡就像浮在油上一樣，只需相當於3瓦電動功力的電機就可將其驅動，而且，還能使望遠鏡跟蹤天體的精度達到0．15度。

中國科學院主持的2．16米光學望遠鏡鑑定會，集中了我國天文學界的專家權威。他們一致認爲，南京天文儀器研究中心、北京天文臺自動化研究所聯合研製的這臺望遠鏡是2米級的，達到了國際先進水平的光學望遠鏡，這就使中國的天文觀測有了遠東最亮的眼睛。當外面配備先進的探測器，如CCD光譜儀，這個光譜儀在黑夜就能夠觀測到很暗的星，而且能自動進行，最後的結果全部輸到計算機裏面去。1993年他們做過一個超行星界的工作，取得了一個完整的光譜系列。在這個基礎上，他們發現超行星的不穩定、不對稱的暴發現象，並且提出了自己的一個理論模型，叫做手紙模型，即像手紙一樣的暴發模型。這個模型引起了國外的關注。

2．16米光學望遠鏡的研製成功，標誌着我國天文機械和自動化控制達到了一個新的水準。 CCTV《科技博覽》

3.哈勃太空望遠鏡

地球的大氣層對天文觀測構成了極大的障礙。即使在遠離人煙的高山觀測，大氣電離層中的輻射仍然會使夜空背景發光，影響了一些要求很高的光度測量。此外大氣的擾動亦是使天文學家十分頭痛的問題。在大氣擾動下，原本在望遠鏡中呈現點狀的星光變成了模糊的圓盤，大大減低了望遠鏡的分辨能力和量度星體位置的.準確度。

早在1946年天文學家Lyman Spitzer就提出了太空望遠鏡的構思，但這個夢想卻要到90年代才實現，太空望遠鏡的歷史可以說是波折重重。以著名天文學家哈勃(Hubble，1889～1953)命名的哈勃太空望遠鏡，1990年4月由“發現號”航天飛機送至太空，是迄今爲止最大的太空望遠鏡。

哈勃望遠鏡總長12.8m，鏡筒直徑4.28m，主鏡直徑2.4m，連外殼孔徑則爲3m，總重11.5t，主要由三大部分組成。第一部分是光學部分，是整個望遠鏡的心臟。它採用卡塞格林式反射系統，由兩個雙曲面反射鏡組成，一個是口徑 2.4m的主鏡、另一個是裝在主鏡前約4.5m處的副鏡，口徑0.3m。投射到主鏡上的光線首先反射到副鏡上，然後再由副鏡射向主鏡的中心孔，穿過中心孔到達主鏡的焦平面上形成高質量的圖像，供各種科學儀器進行精密處理，得出來的數據透過中繼衛星系統發回地面。第二部分是科學儀器，主要包括裝在主鏡焦平面上的八臺科學儀器，分別是：寬視場和行星照相機、闇弱天體照相機、闇弱天體攝譜儀、高分辨率攝譜儀、高速光度計和三臺精密制導遙感器。第三部分是輔助系統，包括兩個長11.8m、寬2.3m，能提供2.4kW功率的太陽能電池板，兩部與地面通信的拋物面天線等。

哈勃望遠鏡在距地面500km的太空上進行觀測，不僅不受惡劣氣候的影響，每天都可以進行觀測，而且擺脫了地球大氣的干擾，能夠達到地面上任何望遠鏡也達不到的高靈敏度和高分辨能力，是一個性能卓越的空間天文臺。藉助它可觀測到宇宙中140億光年遠發出的光；它能夠單個地觀測到星羣中的任一顆星；它能研究和確定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年齡、距離標度；它還能分析河外星系，確定行星間、星系間的距離，它能對行星、黑洞、類星體和太陽系進行研究，並畫出宇宙圖和太陽系內各行星的氣象圖。

目前哈勃望遠鏡已有過許多重要發現，如拍攝到距地球5億光年遠的恆星碰撞，發現了圍繞着1987A超新星的正在發光的氣體環等等。神通廣大的哈勃望遠鏡爲人類觀測宇宙立下了汗馬功勞。

4. 能看見原子的眼睛

說起掃描隧道顯微鏡，有這樣一個比喻：假如人類站在月球上，觀察自己的家園地球，用肉眼看去，地球不過是一個藍色的球體。如果用放大2000倍的光學顯微鏡，就可以看到太湖那樣大小的區域。如果用放大幾百倍的電子顯微鏡，地球上的一幢幢樓房就會出現在眼前。而如果用掃描隧道顯微鏡，那麼，進入你視野的將是地球上的一粒粒砂子。

當然，這只是一個比喻。掃描隧道顯微鏡不是望遠鏡。它的重要性在於，它爲人類開啟了通向微觀世界的又一扇大門。有了它，我們就有了一雙能直接看到物質表面原子排列狀況的眼睛。

掃描隧道顯微鏡能看見如此微小的原子，其原因在於它與普通光學和電子顯微鏡完全不同的工作原理。掃描隧道顯微鏡的探頭帶有一根探針，它的針尖細到只有原子大小。探針的針尖接近所要觀測的樣品的表面並進行掃描。根據量子物理學原理，當針尖上的原子與樣品表面原子的距離小於lnm時，它們之間會產生隧道電流。透過記錄隧道電流的變化就可以獲得樣品表面原子排列的情況，並把它轉化爲圖像。這個過程很像我們用手指去觸摸一個物體的表面，觸覺神經把信號傳到大腦，使我們產生對該物體表面形狀和性質的認識。不過，掃描隧道顯微鏡比我們的手指要精確得多。它平行於物體表面的分辨率可達到0．1nm，而垂直於物體表面方向上的分辨率可達到0．01nm。

掃描隧道顯微鏡不僅可以直接觀察物質表面的原子結構，還可以透過探針對物質表面的原子和分子進行搬移。可以搬動原子，人類就可以按自己的意願對各種物質表面進行原子級的重構，像搭積木一樣，把一個個分子組建在一起，製造新的材料。

掃描隧道顯微鏡還能對物質表面進行刻蝕。中國科學家用自制的掃描隧道顯微鏡在石墨表面刻蝕了線寬僅爲10nm的字元和圖案。按尺寸計算，一部<紅樓夢)只需一根大頭針針尖大小的地方就能記錄下來。這就爲製作高密度的資訊存儲元件和納米尺度的電子元件提供了新途徑。想象一下，這種技術一旦投人應用，我們的計算機容量該有多大，而體積又該有多小。

掃描隧道顯微鏡所觀察到的原子，是目前人類所能直接觀察到的微觀世界的最小尺度。很顯然，這項技術直接促進納米科技的發展。對於表面科學、材料科學、生命科學和微電子技術的研究有着重要的意義。有了這項技術，人類把自己的意志施加於微觀世界的時代就開始了。 CCTV《科技博覽》