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制作折射望远镜的收获与困惑 [复制链接]

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530日的小学生“头脑运动会”科学赛题中有一个项目是制作望远镜。学生们的作品精彩纷呈,集科学与艺术与一体。从部分的作品的细节看,他们对望远镜的一些制作要点比我这做老师的认知更精准。为此我特地去搜索学习有关望远镜的知识和制作原理。





这些学生都很棒,几乎都能制作出两种原理的望远镜。

一、望远镜的种类:1 折射式望远镜   2、反射望远镜    3、折反射望远镜     4、射电望远镜

    这次学生制作的是第1种--光学折射式望远镜。

1   折射式望远镜,是用透镜作物镜的望远镜,分为两种类型:由凹透镜作目镜的称伽利略式折射镜;由凸透镜作目镜的称开普勒式折射镜

二、两种望远镜原理:






从结构上看应该是开普勒对伽利略型望远镜的改进版,凸透镜组成,且中间有焦点,可以看出物像是成倒像的,那个小凸透镜其实是目镜所以就实现了可以配不同的放大倍数。当前几乎所有折射式天文望远镜都是开普勒型的。

从原理上看:1、伽利略望远镜的原理是先由物镜运用照相机原理,把远处的物体形成一个缩小、倒立的实像,目镜是凹透镜,凹透镜位于成像点之前,把缩小的实像转化成正立、放大的虚像。2、开普勒望远镜的原理是把远处的物体由凸透镜按照相机原理成缩小倒立的实像。这点和伽利略望远镜原理相同,不同的是开普勒望远镜的目镜是凸透镜,且是以放大镜原理把缩小的倒像进一步放大。所以两种望远镜的物镜可以完全一样。

三、爱牛提供的器材是:




爱牛的三个镜片的数据我问淘宝卖家,没有回复我。只能自己测量镜片直径(有大到小直径分别是3.6cm、2.8cm、1.7cm),但发现最大的镜头是平凸镜,即只有单面凸起,另一面是平的。


查资料发现为了获得更多的光线,使图像更清晰,物镜的直径是最大的---即最大的镜片用来做物镜。但这片最大的物镜有两个面,凸起的那面应该朝哪里呢?另外一片凹透镜也是一面平,一面凹。这面透镜又该怎样安放呢?

最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-05 22:42:52
本主题由 超级管理员 金亚军 于 2023/6/6 18:20:21 执行 设置精华/取消 操作
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我看了学生的作品,发现各种情况都有

包括凹透镜,也一样,各种朝向都有

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我查了淘宝上在卖的望远镜透镜片,物镜都是平凸透镜。


但目镜却都是双凹透镜。
我又去摸了一下,爱牛的伽利略式目镜的确是一面平的
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看过一个视频,建议把两片镜片的平面都朝里放置。物镜凸面朝外,目镜凹面朝外。但我不知道为什么要这么放置?
我看到另外有两片式的物镜,说是可以消除色差。具体是这样的。


由于不同颜色的光折射率不同,导致色散,从而使图像不够清晰。
的确我用双凸镜看放大的字时候,字的周边有红色和蓝色的边缘。
按照上图中双物镜的放置方式,是不是相当于一块平凸透镜的效果?平的一面朝里,也和图中双物镜放置相同。
也就是使用平凸透镜做物镜的目的是为了消除色差,不知道这个思考是否合理?
最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-05 22:39:47
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具体的制作过程不是很难。淘宝上有介绍。

制作前最好知道镜片的焦距,以计算需要制作镜筒的长度。
但这里没有焦距的参数,干脆用简单直接的方法,拿两片镜片,放在眼前移动对焦,调整两个镜片的位置,找到最清晰的像的时候,大概比划出两片镜片之间的距离。即两个镜筒加起来所需要达到的长度。不需要很准确,因为两个镜筒在使用时要叠加,调焦距。
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小小望远镜,大大科学理!很好的活动,不断搜集资料,不断尝试。过程比结果更重要!
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很深入的研究!
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学生制作一般都是试试,一边试一边改,没有从原理上进行设计研究。
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对于爱牛的镜筒是长方体而一般望远镜的镜筒为圆柱形,到底哪个好?  长方体的镜筒,容易卡住固定。在调焦伸缩镜筒时,很容易固定在需要的位置上。但缺点是光线进入后变成发散,成像效果会差一些。像看起来会黯淡些。但对于开普勒望远镜,物镜和目镜之间距离比较远,在光线传播路径上散射较多,成像亮度会打折扣。所以我个人觉得,镜筒做成圆柱形,让入射光线集中传播,成像效果会更好。
      对于伽利略望远镜,因为物镜和目镜距离近,基本上影响不大。成像效果依然好,但是仔细看筒内漫反射的光还是比较强,对成像干扰依然存在。照片中可以看到筒内,上下左右四个圆形的反射干扰光斑。


   我看了淘宝上的做法:




这些方法比较复杂,最简单的方法就是用黑色卡纸做镜筒。
这次比赛中的确有好几组学生用了黑色卡纸。学生的细节做得比我想象的好。
最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-06 09:18:46
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学生做起来的时候去观察,有时候反而感觉越看物体越来越小的感觉,还不如不用望远镜
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当然也可以用一次性纸杯做镜筒:



这种方式的缺点是:适合物镜和透镜距离比较近的伽利略望远镜的制作。


也可以通过加装皮筋来调节物镜和目镜距离。
另外一次性纸杯可以安装直径更大的物镜,使成像效果更好
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回复 10楼陈朋的帖子

伽利略望远镜做出来的效果很好,物体比肉眼观察要大多了,而且像也鲜明。但开普勒望远镜成像比实际看到要小,而且只有在特定角度观察,才能看到。但优点是同样直径的物镜,视野比伽利略望远镜更广,看到的景物更多。
最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-06 11:23:56
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另外也可以用瓦楞纸做镜筒,瓦楞纸的优点是既方便弯折成圆柱形又能保持坚固,比卡纸更能做好造型。





双筒望远镜
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很多学生只是制作,没有按照设计去制作。
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另外建议粘合镜片时还是用双面胶比较好

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回复 9楼罗华英的帖子

改进,赞!
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制作一个成像效果好,操作又比较简单方便、视野广的开普勒望远镜(伽利略望远镜制作方便,但可观察距离比较近, 视野小)
准备材料:两张黑色卡纸、双面胶,小刀或剪刀、
一个直径较大平凸透镜(物镜)(爱牛的直径是3.6cm,焦距在14-29cm之间,自己实验估测)、
一个直径较小的双凸透镜(目镜)(爱牛的直径是2.8cm,焦距在6cm左右,自己实验估测)。
制作步骤:1、在卡纸相邻两边贴上双面胶,
                将两个镜片分别用黑色卡纸卷成两个镜筒。


为了防止这三只“翼”在卷成筒时漏光,用剪刀剪掉三个“角”成这样


然后分别沿着黑卡纸卷出两个镜筒




两个镜筒由于直径相差大,中间空隙太大。带来两个问题
1、在调焦的时候目镜和物镜距离不容易固定。2、目镜和物镜中心不能在同一中心线轴上,导致成像不稳定。


2、解决方法:  在目镜筒外面包裹餐巾纸,根据需要卷到合适的厚度。
                   尽量保证目镜筒四周卷纸厚度一致,以便让目镜中心对准物镜的中心。
                 且纸巾在双筒缝隙里,可以慢慢转动对焦,也能在找到清晰像时稳稳地卡好镜筒的位置,
                保证在最清晰的位置镜筒不移动。




开普勒望远镜制作完成
3、调试焦距
  发现最清晰的位置是物镜与目镜之间的距离是29cm




看到的图像是非常清晰的
但由于我一手持镜,一手拿手机,两只手都有抖动,单手又无法对焦,拍出来比较模糊。
但实际看到的树叶子是非常锐利的,比我们肉眼看更清晰。




可以看到成的是倒像。“青春之城”四个字的倒像。

更正一下,焦距和每个人的视力有关,近视情况不一样,最清晰的焦距位置也不一样。
另外镜筒长度的设计可以通过透镜焦距来计算,开普勒望远镜镜筒整体长度为物镜和目镜焦距之和。
伽利略望远镜的镜筒长度是凸透镜焦距减去凹透镜焦距的绝对值。所以镜筒长度伽利略望远镜长度比开普勒望远镜要短。
最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-06 14:40:27
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很多老师也说开普勒望远镜用了两片凸透镜,原理和显微镜一样。那么能否用同样的两个透镜制作一个显微镜呢?对于显微镜制作我还是比较感兴趣的,
因为显微镜看到的是在我们身边无处不在,又和我们关系密切的微生物。对我们的影响还是比较大的。
先上显微镜和望远镜的原理对比图:


由原理图可知,显微镜的物镜是运用了幻灯机原理,通过凸透镜得到一个放大的实像,然后由目镜把这个放大的实像运用放大镜原理再次成放大的虚像。
所以它和望远镜的区别在于物镜的焦距不能很大,但目镜的焦距需要比望远镜大。这样看来,得把望远镜的物镜和目镜倒过来用了。
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这个制作活动挺好,这些望远镜的效果如何,也可以发几张图片看看。
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望远镜学问真不少,不过小学生理解起来感觉还是有点困难
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回复 10楼陈朋的帖子

理论很丰满,现实很骨感
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回复 21楼夏薏的帖子

望远镜制作出来的效果还是很不错的,只是用手机比较难拍摄出来我们看到的效果。可以动手做做,黑色卡纸,学生的美术袋里有。只要在某宝上买两个镜片,即可以。放大倍数是物镜焦距除以目镜教具。放大倍数高些,看起来更舒适把。---这个望远镜的制作还真的不是理论,完全可以做出好的效果。
最后编辑罗华英 最后编辑于 2023-06-06 16:23:44
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好活动,好创意,好兴致!
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望远镜里的科学。
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学生做起来的时候去观察,有时候反而感觉越看物体越来越小的感觉,还不如不用望远镜
陈朋 发表于 2023/6/6 9:11:19
这些都是一种科学现象,给了孩子一个探索的欲望
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探索的过程忘记了这是在考试吧
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终于看到了他们的作品
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探究的很深入呀,有原理有观察。
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学生真能做出两种原理的望远镜?科学老师自愧不如。
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研究地好深入
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