复式光学显微镜演示教具的设计与制作

周鉴恒 田若平 罗星凯

（1广西师范大学物理学实验中心，广西 桂林 541004）

（2桂林兴华科学教育研究院，广西 桂林 541004）

（3台湾万能科技大学光电系，台湾 桃园）

复式光学显微镜演示教具的设计与制作

周鉴恒1，3田若平2罗星凯1

（1广西师范大学物理学实验中心，广西 桂林 541004）

（2桂林兴华科学教育研究院，广西 桂林 541004）

（3台湾万能科技大学光电系，台湾 桃园）

利用报废投影机（或幻灯机）上拆下的镜头作为物镜，常用的放大镜作为目镜，再加上数个针对学生理解难点特别设计的屏幕等零件，笔者设计制作了一具尺寸相当大、内部构造一目了然的复式显微镜演示教具，不仅可形象直观地演示显微镜的原理，而且放大倍数足以让人观察到洋葱表皮细胞，还可有助于学生正确理解透镜成像原理、实像与虚像的性质，以及光学仪器之设计构想.

复式光学显微镜；成像；透镜

1 引言

光学显微镜的使用使人类首度可以看到肉眼看不见的物体.细胞和细菌的发现，都是显微镜在医学和生物学发展史上立下的不朽功劳.

随着时代的进步，人类发明了更多更精良的显微镜，例如电子显微镜、电子扫描显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等，成为人类研究纳米科学、医学和生物学的利器.然而复式光学显微镜迄今仍是使用最广泛，大家最熟悉的一种显微镜.

第一次使用复式光学显微镜的学生，不免会对显微镜放大物体的功能感到好奇.但一般的复式光学显微镜，为了使用方便，尺寸都不会太大，且为了维持精密度和高性能，通常也都有镜筒加以保护，使人们难窥其中的奥妙.为此，笔者设计制作了一具尺寸相当大，内部构造一目了然的复式显微镜演示教具，既可演示显微镜的原理，又可见洋葱表皮细胞，还可综合理解透镜成像原理、实像与虚像的性质，以及光学仪器之设计构想.

2 基本原理与器材选择

复式光学显微镜主要由物镜和目镜构成.物镜的功能是用来形成被观察物体的放大实像，在形成放大实像的过程中，物镜的设计要尽量提高放大实像的品质，也就是说，放大的实像要不失真，不模糊.而投影机和幻灯机的镜头不仅能把尺寸相当小的幻灯片或投影片变成放大的实像，呈现在投影屏幕上，而且投影机和幻灯机的镜头在形成放大实像时，也须避免色散、失真或模糊的问题.现代投影机或幻灯机的镜头都经过光学模拟计算而予最佳化，大都能很好地发挥它的功能.因此，本具显微镜演示器的物镜就采用报废投影机之镜头，可一举得到“大尺度、高倍率、少失真”的多重效果.至于目镜的功能，基本上就是放大镜的功能，利用目镜把已经放大的实像再放大.

3 特别针对教学难点的创新设计

理解复式光学显微镜的关键，在于理解实像的特性.

在一般呈现实像的实验中，常将实像投影在完全不透明的白色漫反射屏幕上，使得人们误以为只有使用这种方法才可以看到实像，因此误导了学生对实像特性的了解（这其实是几何光学教学上的普遍缺点）.

此外，透过放大镜看较远处的物体，常可在放大镜中看到倒立的影像，由于视觉还须依赖大脑的诠释，于是人们只觉得放大镜把远处的景物扭曲成颠倒的影像.殊不知此时从放大镜中看到的是远处景物倒立的实像，这实像已经在放大镜和人眼之间，距离比原景物近得多.

也就是说，倒立的实像，就如同实际在该实像处存在的物体一样，都可以直接看到，并不一定要先投影在屏幕上再观看.

放大了显微镜的尺寸之后，即可在物镜成像处放置特制的屏幕，凸显物镜所呈现的实像的特性，同时也演示出显微镜的放大原理.这些特制的屏幕包括有：

① 白色漫反射屏幕，此幕就如同一般幻灯机或投影机的屏幕一样，可以把样品（或物体）的实像投影在其上观察，就如同在一般光学实验中观察实像的方式一样.

②半边半透明的屏幕，这样的屏幕可以演示：实像也可以直接看到，就像实物一样.两者的区别在于，在一般情形下，构成实际物体的点光源，所发出的光线分布在较大的立体角中；但构成实像的点光源是由透镜聚焦而来，每个点光源发出的光线因此局限在较小的立体角范围之内.如果半透明屏幕位于实像的成像位置，则实像上由光线聚焦而形成的点光源，在半透明屏幕就会形成亮点，只不过这些亮点（点光源）由于半透明屏幕的漫射，所发出的光线分布的立体角范围也较大.于是观察者可以在半透明屏幕上看到实像，也可以直接看到半边实像，两部分的实像又相互合为一完整的实像.再加上此时大脑有了屏幕架的比对，即确认实像的位置就在屏幕所在之处.

③刻度尺屏幕，用来说明生物解剖显微镜中的刻度尺就安装在物镜所造成的实像所在位置，实物（即刻度尺）、样品经物镜所造成的实像，两者在几何光学上的性质相似，所以可以一起被看到.

4 主要构造与制作

图1为此具显微镜的实物摄影，其中物、物镜、连杆机构、屏幕（由屏幕支架支持）、目镜均在图中标示.整个显微镜教具各组件分述如下：

图1 显微镜教具的实物摄影各重要组件如图中标示，观孔应在照片上方，在此图中未摄入

① 底座，其功能在于安置所有之零件.底座可用容易加工的木材制作.物镜和目镜均固定在底座上，两者相距1100mm，目镜可以更换.

② 如图2所示，物镜，是从幻灯机上拆下的镜头，镜头焦距 85mm，口 径32mm.利用支架将物镜固定在底座上.

图2 使用两种放大镜作为目镜（左上），以幻灯机镜头作为物镜（右下）

③ 目镜，采用一般常见的放大镜，也用支架固定在底座上.本教具以两种放大镜作为目镜，其一焦距200mm，口径125mm；另一个的焦距80mm，口径30mm.此两个放大镜重叠可以拆卸，分別使用，以改变其放大倍率.

④ 观孔，加装于目镜后方，观察者从观孔中观察，以导引观察者眼睛在适当距离和方向观察.因为不将实像投影在一般屏幕上观察，实像的每一个点光源发出的光线分布的立体角范围较有限，眼睛只有在适当方向和距离才能完整看到实像.

⑤ 屏幕支架，即一口形框架，屏幕支架可在底座上前后移动，以适应不同观察者之明视距离；不同创新的屏幕可分别挂在屏幕支架上.

⑥ 屏幕有三种，尺寸均约90mm×90mm.其中一种就是常用的漫反射不透明屏幕，用白色厚纸制作；第二种是半边半透明屏幕，用市场上装水果或包子的无色半透明薄塑料袋制作，此半透明屏幕只遮住屏幕支架的一半，其厚度越薄越好，越平越好.可多尝试几种材料.讲究的话，也可将一般透明的玻璃（或有机玻璃）的半边磨砂，以形成半边半透明，另一边完全透明的屏幕；第三种屏幕就是透明的幕上带有印制（或绘制）的刻度.

⑦ 物支架，物支架上可置放微小的物体.物支架可以移动，利用连杆结构、把手（见图1），可让观察者调整物支架的位置，以便从显微镜中清晰看到放大的影像.

⑧ 照明物体的小型灯具.此小型灯具亮度能调整，照亮样品的方向最好也能改变.

⑨ 光遮，遮住不必要的干扰光线，此光遮的功用如同一般显微镜的镜筒，一方面要使观察者之视野中只有样品影像的光；另一方面要避免小型灯具间接或直接照亮屏幕，妨碍学习者观察屏幕上成实像的现象.实际上，一片垂直桌面而只容许小型灯具照亮样品的黑色不透明板即可作为光遮.此光遮配合调节室内灯光，既可呈现成像的细节，又能正常使用显微镜.此外，若能另外制作放大而可拆卸的仿真镜筒，也有助于增加此教具之童趣.

5 实验操作与效果

实验时，将物体放置在物支架上，用小型灯具充分照明.熄掉所有灯光，因为此具显微镜没有镜筒，所以必须在较暗的实验室中进行.用光遮遮住不必要的光，使屏幕支架和目镜处都不受不必要光线的干扰.

首先，制作一个便于观察的物.作者将常见包装水瓶上的说明字样剪下，作为物体（见图3）.

图3 剪下包装水瓶的说明小字作为样品

用手掰动把手，拉动连杆，连杆拉动物支架，以改变其上的样品与目镜的距离，使此显微镜教具正常运作，直到从目镜中可以清晰看到样品的放大影像.

再将白色漫反射屏幕置于屏幕支架上，移动屏幕支架，直到屏幕上出现清晰的物体实像，说明物镜就像一般投影机镜头，可呈现放大的实像（见图4）.

图4 白色漫反射屏幕显示实像和实像的位置

取下白色漫反射屏幕，换装半边半透明屏幕，从目镜这一侧可见物体的倒立实像，半边出现在半透明屏幕上，另半边可以直接看到，而两者完美对接在一起（见图5）.如果半边半透明屏幕可以左右缓缓移动，更可凸显实像的性质.

再换装带有刻度尺的屏幕，则可发现刻度尺、放大倒立实像事实上在同一位置，也具有类似的光学特性，可以用目镜（放大镜）一起放大（见图6）.

改用其他货品的极小字说明书作为样品，进行实验（见图7）.换用焦距小的目镜（焦距8mm，见图2），小心剥下洋葱薄薄的一层表皮，将其放置在物支架上，用连杆机构仔细调节其位置，即可清晰看到洋葱表皮细胞（见图8）.

6 结束语

这项显微镜演示教具，可以清楚演示显微镜原理，亦即：利用物镜形成被观察物体放大的实像，再用放大镜，像观察一般物体一样，放大被观察物体的放大实像；同时说明：实像就如同实像所在位置的真实物体，可以直接看到，并不一定要用屏幕来成像.

将平日尺寸比较小的显微镜各部分组件放大，连物镜和目镜的尺寸都较常用显微镜的物镜和目镜大上几十倍.因此除了能于此教具中增设屏幕，演示其原理之外，还平添了巨人国的童趣，在仔细控制灯光的实验室或科技馆，搭配各种有趣的生物样本，很容易激发参与学习的热情，寓教于乐.

［1］ 赵凯华，钟锡华.光学（上、下）［M］.北京：北京大学出版社，2008

［2］ 宣桂鑫.光学教程（第3版）学习指导书［M］.北京：高等教育出版社，2004

［3］ 周鉴恒.轻松学物理第一本书［M］.台北：台湾如何出版社，2005

DESIGN AND PRODUCTION OF COMPOUND OPTICAL MICROSCOPE EDUCATIONAL INSTRUMENT

Zhou Jianheng1，3Tian Ruoping2Luo Xingkai1
（1Experimental Core of Physics，Guangxi Normal University，Guilin，Guangxi 541004）
（2Institute of Science Education，Guilin，Guangxi 541004）
（3Department of Photonics，Taiwan University of Science and Technology，Taoyuan，Taiwan）

Utilizing a lens removed from a scraped projector（or a slide）as an object lens and a commonly used magnifying glass as an eye pieces，we design and make a compound microscope with a considerable size.Inside the compound microscope，there are several innovative screens specially designed for students to understand some difficult details of the principle of microscope.Internal parts of the compound microscope can be observed clearly.The compound microscope as an educational instrument visually demonstrates how it works.Using this homemade compound microscope with big enough magnification，people can see epidermal cells of an onion.Furthermore，while operating the microscope，students can understand how a lens forms a real image or a virtual image，natures of these images，along with how to design related optical instruments.

microscope；image formation；lens

2011－12－05）

高校质量工程建设国家精品课程建设项目（教高函［2007］20号－227）、国家级第一批特色专业建设点项目（教高函［2007］25号－TS2341）、国家级教学团队建设项目 （教高函［2010］12号－240）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能10124007－22）

周鋻恒（1962年出生），台湾台北人，台湾万能科技大学光电系助理教授，2011年7～9月广西师范大学科学教育研究所访问学者，主要从事物理教学与研究及物理实验创意研发与应用；田若平（1985年出生），陕西合阳人，桂林兴华科学教育研究院研发专员；罗星凯（1958年出生），湖南新邵人，广西师范大学物理实验中心主任、教授.