《通過透鏡看世界》教案
一、本節(jié)三維目標(biāo)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。
了解望遠鏡、顯微鏡的基本作用。
2、過程與方法
經(jīng)歷利用兩個透鏡組成望遠鏡的實踐過程。
經(jīng)歷利用兩個透鏡組成顯微鏡的實驗操作過程。
初步學(xué)習(xí)逆向、類比的物理思維方法。
3、情感、態(tài)度與價值觀
激發(fā)學(xué)生對宇觀世界和微觀世界進行觀測的興趣。
增強學(xué)生的自然審美能力，培養(yǎng)熱愛自然、熱愛科學(xué)的情感。
進一步形成科學(xué)的認(rèn)識觀。
二、重點與難點
本節(jié)的重點是讓學(xué)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(jié)的難點在于如何啟發(fā)并正確指導(dǎo)學(xué)生完成這兩個實踐活動。
二、教學(xué)實施建議
望遠鏡和顯微鏡是透鏡在軍事、科技和生產(chǎn)中的重要應(yīng)用。課程標(biāo)準(zhǔn)對這一部分的內(nèi)容未作明確要求，但是為了進一步拓展對 “凸透鏡成像的應(yīng)用”的了解，教材吸納了這方面的內(nèi)容�；谡n程標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍，本節(jié)教學(xué)在“知識與技能”上不作深入要求，只是讓學(xué)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(jié)的教學(xué)目標(biāo)著重在于讓學(xué)生通過自主性探究過程，體驗?zāi)嫦蛩季S、類比等物理方法；同時通過教材提供的宇觀與微觀圖片欣賞，讓學(xué)生進一步認(rèn)識自然的奇異與和諧，意識到自然界是可以認(rèn)識的，樹立正確的世界觀。
（一）教學(xué)過程
本節(jié)分為四個教學(xué)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了解；
�。�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(xué)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(jié)包括兩個“動手做”實踐活動。教學(xué)中，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生選擇兩個焦距不同的凸透鏡和兩個凹透鏡。因為望遠鏡和顯微鏡對于許多學(xué)生而言是比較陌生而充滿神秘感的，因此學(xué)生在得知本節(jié)課的內(nèi)容后通常會產(chǎn)生較為濃厚的興趣。
可以鼓勵學(xué)生提出對望遠鏡與顯微鏡的一些疑惑，讓全體學(xué)生進行交流與討論，如果未得到解決，則可以讓學(xué)生帶著這些問題，進入動手操作階段。因為這一操作比較簡單，而且教材中也提供了相關(guān)的指導(dǎo)，教師不必限定學(xué)生的操作規(guī)程，給予學(xué)生足夠的自主空間。
在操作之前，也可以強調(diào)實踐活動過程中的注意事項。首先，透鏡屬于玻璃制品，為了防止落地而造成損壞，應(yīng)該讓學(xué)生在簡易光具臺上進行操作，并輕拿輕放，這樣也利于使多個透鏡光軸重合。其次，應(yīng)禁止學(xué)生用手觸摸透鏡的玻璃表面，以免玷污，養(yǎng)成愛護實驗器材的習(xí)慣。此外，要避免學(xué)生將調(diào)整好的“望遠鏡”直接對著太陽觀察的現(xiàn)象發(fā)生。
在操作過程中，因為透鏡比較多，可以鼓勵學(xué)生作不同的嘗試，包括采用兩個凸透鏡、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(xiàn)望遠或者顯微功能后，可以讓學(xué)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(xué)生都已經(jīng)調(diào)整好自己的望遠鏡可以讓學(xué)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(xué)生用望遠鏡觀察上邊的的頁碼等等。這樣的環(huán)節(jié)旨在增加學(xué)生的動手興趣。在操作基本完成之后，讓學(xué)生回顧自己的操作心得，總結(jié)出望遠鏡（顯微鏡）的基本組成。并回答動手做之前的提出的問題。學(xué)生的回答往往是不完整的，教師應(yīng)給予總結(jié)。但是對于望遠鏡與顯微鏡的原理的剖析，已經(jīng)超出課程標(biāo)準(zhǔn)要求的范疇，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。對于望遠鏡與顯微鏡發(fā)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范圍等，并且可以結(jié)合本冊教材第一章第一節(jié)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(shù)變革等等。對于顯微鏡也可以做這樣的簡單介紹，如介紹從胡克發(fā)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(nèi)容中，學(xué)生往往因為不了解這些望遠鏡的原理而產(chǎn)生疑問，可以讓他們通過查詢資料獲取相關(guān)信息。
在對歷史的回顧之后，可以讓學(xué)生欣賞課文中的一系列圖片，體會自然界的奇異與和諧，例如因為太遠而肉眼無法觀察到的月球上的環(huán)形山，因為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(xué)生體會科學(xué)技術(shù)擴展人類視覺的能力。正常人眼最多能分辨大約為0.1mm的細微物體，而隧道顯微鏡可以看到直徑數(shù)量級為10-10m的原子；人的正常視力（指小數(shù)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(xué)生意識到科技的無窮力量，意識到自然界是可以為人類所認(rèn)識的，從而樹立正確的世界觀。
整個教學(xué)過程中，學(xué)生自主操作與自由分析始終是教學(xué)的中心，教師要把握好講解的時間分配的尺度，讓學(xué)生充分經(jīng)歷“動手做”的過程，同時引導(dǎo)他們“動腦想”，體會這些運用光學(xué)規(guī)律的儀器的應(yīng)用價值與社會意義。
�。ǘ┎牧蠝�(zhǔn)備與實驗設(shè)計
1.實驗材料準(zhǔn)備
圖4-7-1
本節(jié)教學(xué)需要準(zhǔn)備的材料如下：兩個不同焦距的凸透鏡。
2.實驗設(shè)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，作為觀察對象。
透過這個小水滴，應(yīng)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(diào)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。然后再用一只放大鏡來觀察水滴。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�？梢园l(fā)現(xiàn)，每一小粒鹽都是一個正方體。
三、教學(xué)資源
�。ㄒ唬┙虒W(xué)視頻
1.哈勃望遠鏡
2.微小的世界（見“教師備課系統(tǒng)”光盤）
�。ǘ﹨⒖假Y料
1.望遠鏡的發(fā)展簡史
從第一架光學(xué)望遠鏡到射電望遠鏡誕生的三百多年中，光學(xué)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，伽利略制作了一架口徑4.2厘米，長約1.2米的望遠鏡。他是用平凸透鏡作為物鏡，凹透鏡作為目鏡，這種光學(xué)系統(tǒng)稱為伽利略式望遠鏡。伽利略用這架望遠鏡得到了一系列的重要發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)從此進入了望遠鏡時代。
1611年，德國天文學(xué)家開普勒用兩片凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，使放大倍數(shù)有了明顯的提高，以后人們將這種光學(xué)系統(tǒng)稱為開普勒式望遠鏡。
現(xiàn)在人們用的折射式望遠鏡還是這兩種形式，天文望遠鏡采用的是開普勒式。
折射望遠鏡的優(yōu)點是焦距長，底片比例尺大，對鏡筒彎曲不敏感，最適合于做天體測量方面的工作。但是因為從技術(shù)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(fā)展較為緩慢。
（2）反射式望遠鏡
1668年，牛頓發(fā)明了第一架反射式望遠鏡，他采用凹面反射鏡作為主鏡，并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(jīng)主鏡反射后的會聚光經(jīng)反射鏡以90°角反射出鏡筒后到達目鏡。這種系統(tǒng)稱為牛頓式反射望遠鏡。
1672年，法國人卡塞格林利用凹面鏡和凸面鏡，設(shè)計了現(xiàn)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(nèi)的天體，又可用以拍攝大面積的天體。哈勃太空望遠鏡采用的就是這種反射望遠鏡。
1918年末，口徑為254cm的胡克望遠鏡投入使用，這是由海爾主持建造的。天文學(xué)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，更為重要的是，哈勃的宇宙膨脹理論就是用胡克望遠鏡觀測的結(jié)果。
（3）折反射式望遠鏡：
折反射式望遠鏡最早出現(xiàn)于1814年。1931年，德國光學(xué)家施密特用一塊別具一格的接近于平行板的非球面薄透鏡作為改正鏡，與球面反射鏡配合，制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，適合于拍攝大面積的天區(qū)照片，尤其是對暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望遠鏡已經(jīng)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為改正透鏡，制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。它的所有表面均為球面，比施密特式望遠鏡的改正板容易磨制，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。
由于折反射式望遠鏡能兼顧折射和反射兩種望遠鏡的優(yōu)點，非常適合業(yè)余的天文觀測和天文攝影，并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(shè)計研制的2．16米大型光學(xué)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(qū)最大口徑的現(xiàn)代化望遠鏡。
它的最大特點是采用中繼鏡做折軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。這是當(dāng)今世界上我國天文工作者的創(chuàng)新設(shè)計。國外的望遠鏡，這個零系統(tǒng)和折軸系統(tǒng)，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(zhì)量，有的更換還需要花費不少時間，影響天文觀測。而我國新研制的望遠鏡采用了新的折軸系統(tǒng)方案。這個方案里面折軸系統(tǒng)和卡非靈系統(tǒng)是共用同一個副鏡，不需要更換。它是通過增加一塊反射鏡，稱為中繼鏡，來實現(xiàn)這樣一個方案的。國外對這個折軸系統(tǒng)給予了很高的評價。美國著名的天文光學(xué)家壘雷爾教授把這個系統(tǒng)的中繼鏡命名為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(chuàng)，得到世界天文學(xué)界的認(rèn)同。正在研制中的世界最大的望遠鏡，歐洲南方天文臺B、I、T中也采用了s、y、z中繼鏡的思路和折軸系統(tǒng)。
2．16米望遠鏡的機械傳動采用了先進的油電系統(tǒng)。使重達95噸的望遠鏡就像浮在油上一樣，只需相當(dāng)于3瓦電動功力的電機就可將其驅(qū)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(xué)院主持的2．16米光學(xué)望遠鏡鑒定會，集中了我國天文學(xué)界的專家權(quán)威。他們一致認(rèn)為，南京天文儀器研究中心、北京天文臺自動化研究所聯(lián)合研制的這臺望遠鏡是2米級的，達到了國際先進水平的光學(xué)望遠鏡，這就使中國的天文觀測有了遠東最亮的眼睛。當(dāng)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，最后的結(jié)果全部輸?shù)接嬎銠C里面去。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(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)超行星的不穩(wěn)定、不對稱的暴發(fā)現(xiàn)象，并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(fā)模型。這個模型引起了國外的關(guān)注。
2．16米光學(xué)望遠鏡的研制成功，標(biāo)志著我國天文機械和自動化控制達到了一個新的水準(zhǔn)。 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(gòu)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(fā)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(xué)家十分頭痛的問題。在大氣擾動下，原本在望遠鏡中呈現(xiàn)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(zhǔn)確度。
早在1946年天文學(xué)家Lyman Spitzer就提出了太空望遠鏡的構(gòu)思，但這個夢想?yún)s要到90年代才實現(xiàn)，太空望遠鏡的歷史可以說是波折重重。以著名天文學(xué)家哈勃(Hubble，1889～1953)命名的哈勃太空望遠鏡，1990年4月由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機送至太空，是迄今為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，連外殼孔徑則為3m，總重11.5t，主要由三大部分組成。第一部分是光學(xué)部分，是整個望遠鏡的心臟。它采用卡塞格林式反射系統(tǒng)，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，然后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(zhì)量的圖像，供各種科學(xué)儀器進行精密處理，得出來的數(shù)據(jù)通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)回地面。第二部分是科學(xué)儀器，主要包括裝在主鏡焦平面上的八臺科學(xué)儀器，分別是：寬視場和行星照相機、暗弱天體照相機、暗弱天體攝譜儀、高分辨率攝譜儀、高速光度計和三臺精密制導(dǎo)遙感器。第三部分是輔助系統(tǒng)，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。借助它可觀測到宇宙中140億光年遠發(fā)出的光；它能夠單個地觀測到星群中的任一顆星；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(biāo)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，并畫出宇宙圖和太陽系內(nèi)各行星的氣象圖。
目前哈勃望遠鏡已有過許多重要發(fā)現(xiàn)，如拍攝到距地球5億光年遠的恒星碰撞，發(fā)現(xiàn)了圍繞著1987A超新星的正在發(fā)光的氣體環(huán)等等。神通廣大的哈勃望遠鏡為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(xué)顯微鏡，就可以看到太湖那樣大小的區(qū)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(xiàn)在眼前。而如果用掃描隧道顯微鏡，那么，進入你視野的將是地球上的一粒粒砂子。
當(dāng)然，這只是一個比喻。掃描隧道顯微鏡不是望遠鏡。它的重要性在于，它為人類打開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(zhì)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，其原因在于它與普通光學(xué)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并進行掃描。根據(jù)量子物理學(xué)原理，當(dāng)針尖上的原子與樣品表面原子的距離小于lnm時，它們之間會產(chǎn)生隧道電流。通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，并把它轉(zhuǎn)化為圖像。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(jīng)把信號傳到大腦，使我們產(chǎn)生對該物體表面形狀和性質(zhì)的認(rèn)識。不過，掃描隧道顯微鏡比我們的手指要精確得多。它平行于物體表面的分辨率可達到0．1nm，而垂直于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(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，還可以通過探針對物質(zhì)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愿對各種物質(zhì)表面進行原子級的重構(gòu)，像搭積木一樣，把一個個分子組建在一起，制造新的材料。
掃描隧道顯微鏡還能對物質(zhì)表面進行刻蝕。中國科學(xué)家用自制的掃描隧道顯微鏡在石墨表面刻蝕了線寬僅為10nm的字符和圖案。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。這就為制作高密度的信息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(shù)一旦投人應(yīng)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(shù)直接促進納米科技的發(fā)展。對于表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和微電子技術(shù)的研究有著重要的意義。有了這項技術(shù)，人類把自己的意志施加于微觀世界的時代就開始了。 CCTV《科技博覽》
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