趣味顯微鏡演示實(shí)驗(yàn)

◆楊杰 龐詩(shī)云

顯微鏡是一種常見的光學(xué)儀器，其原型可以追溯到公元前一世紀(jì)，那時(shí)人們發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體（如水滴、寶石等）觀察微小物體，可以將物體放大成像。1590年，荷蘭眼鏡制造者詹森發(fā)明最早的顯微鏡，它用一個(gè)凹鏡和一個(gè)凸鏡做成，但是成像質(zhì)量不高，沒有引起人們的重視[1]。1665年，荷蘭人列文虎克制成直徑0.3厘米的透鏡。他把小透鏡鑲在支架上，在透鏡下邊裝一塊銅板，上面鉆一個(gè)小孔，現(xiàn)代意義上的顯微鏡終于誕生了。隨著科技的發(fā)展，顯微鏡的種類不斷增加，性能也不斷完善。1931年，恩斯特·魯斯卡研制成功電子顯微鏡，使得人們首次能觀察到百萬(wàn)分之一毫米那樣微小的物體。1986年，他獲得諾貝爾獎(jiǎng)[2]。

對(duì)于廣大教師和學(xué)生來說，最熟悉的就是實(shí)驗(yàn)室里的光學(xué)顯微鏡。它結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由目鏡、鏡筒、轉(zhuǎn)換器、物鏡、載物臺(tái)、通光孔等構(gòu)成，體型也比較龐大，不方便移動(dòng)和攜帶。以下介紹三則趣味顯微鏡實(shí)驗(yàn)，所用器材簡(jiǎn)便易得，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)直觀，便于學(xué)生動(dòng)手操作與實(shí)驗(yàn)探究。

1 激光筆顯微實(shí)驗(yàn)

激光筆又叫指星筆，多用于課堂教學(xué)、天文指星、定點(diǎn)導(dǎo)向等。如教師以此作為激光教鞭，會(huì)議人員用于產(chǎn)品演示講解，博物館用于準(zhǔn)確指示目標(biāo)。這些激光功率一般在30～50 MW之間。天文愛好者利用激光束指示星空的位置，激光功率一般在100 MW以上。野外探險(xiǎn)可用于指示遠(yuǎn)方目標(biāo)及發(fā)出求救信號(hào)，激光功率在50～150 MW之間。

目前常見激光筆有紅光（波長(zhǎng)635 nm）、綠光（波長(zhǎng)532 nm）、藍(lán)光（波長(zhǎng)450 nm）、藍(lán)紫光（波長(zhǎng)405 nm）等。激光筆的主要核心部件是激光二極管，具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出功率小，單色性差。激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里—珀羅諧振腔。半導(dǎo)體中的光發(fā)射起因于載流子的復(fù)合，當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴發(fā)生復(fù)合，發(fā)射波長(zhǎng)為λ的光子。激光二極管在計(jì)算機(jī)的光盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)等小功率光電設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

激光有以下幾個(gè)特性。

1）相干性好。普通光源由原子自發(fā)輻射產(chǎn)生，光子的方向、頻率、偏振方向不盡相同。激光的傳播方向、頻率、偏振方向都相同，具有極好的相干性。

2）高方向性。普通光源發(fā)出的光是發(fā)散的，激光發(fā)出的光則朝同一方向，可以傳播到很遠(yuǎn)的地方，同時(shí)保證一定的功率密度。

3）單色性好。光的顏色由光的波長(zhǎng)（或頻率）決定，激光的波長(zhǎng)分布范圍極窄，顏色很純。

4）能量集中。大量光子聚集在狹小的范圍內(nèi)，激光具有極高的亮度和能量。

在中學(xué)階段，學(xué)生已經(jīng)接觸到激光的基本特點(diǎn)和性質(zhì)。利用激光筆，可以制作一個(gè)簡(jiǎn)易的激光投影顯微鏡。實(shí)驗(yàn)器材包括醫(yī)用注射器、激光筆、光屏、水，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1）利用注射器制造一個(gè)穩(wěn)定的小水珠；

2）固定注射器距離屏幕兩米的距離；

3）用激光筆在適當(dāng)?shù)木嚯x照射小水珠；

4）觀察激光透過小水珠在屏幕上的投影。

實(shí)驗(yàn)分析：由上述激光的特性可知，當(dāng)激光通過小水滴（水滴相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡），準(zhǔn)直的激光在凸透鏡的作用下發(fā)散開來，在光屏上形成一個(gè)激光的光斑；小水滴中有一些微小的物體（如灰塵、微小生物等），激光通過水滴時(shí)把微小物體的影子投射到光屏上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離進(jìn)行顯微放大的效果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）所用實(shí)驗(yàn)儀器比較簡(jiǎn)單。激光筆、注射器都可以現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)買，所需費(fèi)用不大，經(jīng)濟(jì)性較好。

2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)直觀。激光具有高亮度，選擇功率稍大的激光筆，在白天也能有明顯的現(xiàn)象。

3）趣味性和探究性較好。通過水滴凸透鏡和激光的簡(jiǎn)單組合，能夠在墻壁上投影出微觀物體的影像。如果在水滴里面加入墨水、糖和鹽等物質(zhì)，還能夠顯示奇妙的布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)由于器材所限，也存在一些難以克服的缺點(diǎn)。

1）相比傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡，激光顯微鏡只能得到微小物體的投影，不能清楚觀察到物體。

2）由于使用水珠作為凸透鏡，水珠在注射器下端受到空氣的氣流影響，容易變得不穩(wěn)定，墻壁上出現(xiàn)的投影在運(yùn)動(dòng)。小水滴掉落時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法觀察。

3）由于小水滴的形狀無法控制，激光顯微鏡的放大倍數(shù)無法確定，難以進(jìn)行定量分析和計(jì)算。

4）激光筆發(fā)射的激光強(qiáng)度大，容易灼傷眼底，甚至導(dǎo)致永久失明，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用。

2 智能手機(jī)顯微鏡實(shí)驗(yàn)

近年來隨著通信技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能手機(jī)的性能越來越強(qiáng)大。如手機(jī)攝像頭的像素在2010年還是500萬(wàn)，2013年已經(jīng)提升到1300萬(wàn)，專家表示2014年這個(gè)數(shù)字可能增加到1600萬(wàn)。如此高像素的攝像頭，除了拿來自拍和拍照，只要稍微進(jìn)行一些小改造，手機(jī)也能成為輕便小巧的顯微神器。

最簡(jiǎn)單的方法就是用水滴制造一個(gè)顯微鏡頭：把手機(jī)平放，攝像頭位置朝上，用圓珠筆的筆芯尾部沾一點(diǎn)兒水，小心滴在攝像頭上，水滴寬度為0.25～0.5厘米，確保水滴不要溢出攝像頭邊緣（手機(jī)攝像頭的密封性很好，不必?fù)?dān)心水滴會(huì)滲透到手機(jī)里面）；小心地翻轉(zhuǎn)手機(jī)，不要使水滴掉落下來?，F(xiàn)在可以用手機(jī)拍照了，會(huì)發(fā)現(xiàn)拍攝物體的細(xì)節(jié)變得十分清晰，實(shí)現(xiàn)顯微放大的效果。水珠是一種透明介質(zhì)，水珠滴在攝像頭上，使得透鏡的折射率放大，鏡頭的放大倍率也相應(yīng)提高。水滴越大越圓，放大倍數(shù)就越大；當(dāng)水滴蒸發(fā)收縮后，放大倍數(shù)也相應(yīng)減小。液體鏡頭對(duì)手機(jī)晃動(dòng)十分敏感，為了達(dá)到基本的清晰度，可以用小水杯作為固定支撐平面。

2008年，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)一款普通人也能方便操作的高性能顯微鏡，使用對(duì)象是iPhone手機(jī)，所需費(fèi)用僅為20美元。研究人員表示，如果使用塑料透鏡而不是玻璃，費(fèi)用可降至10美元，如圖4所示。這種簡(jiǎn)單顯微鏡能夠拍攝皮膚感染區(qū)域的照片，也可用于觀察診斷瘧疾病毒，只需將血液或組織樣本置于鏡頭下方，照片通過郵件發(fā)送給千里之外的醫(yī)生，幫助他們做出診斷。

當(dāng)然不是非要iPhone手機(jī)不可，其他智能手機(jī)同樣能實(shí)現(xiàn)顯微放大的效果。制作手機(jī)版顯微鏡的步驟很簡(jiǎn)單：

1）拿出智能手機(jī)，最好是采用觸摸屏和手動(dòng)對(duì)焦的手機(jī)；

2）利用黑色卡片等材料，在卡片上鉆出一個(gè)小洞，充當(dāng)光圈；

3）訂購(gòu)或者制作一個(gè)直徑1毫米的玻璃珠，也可用半球形透鏡代替；

4）將透鏡放入光圈，使用黑膠帶將它們固定在手機(jī)攝像頭上；

5）調(diào)整位置，使透鏡處在取景器的正中央。

精明的商家自然不會(huì)放棄這個(gè)充滿巨大市場(chǎng)的新生事物。2014年日本的奧林巴斯、尼康等公司聯(lián)合研制，推出一款可以看到微生物的手機(jī)用顯微鏡。這款顯微鏡體長(zhǎng)6.5厘米，寬2厘米，厚度為2毫米，采用鋁制成。將直徑3毫米的球狀鏡頭與智能手機(jī)的自拍鏡頭重疊，把要觀察的東西放于其上即可使用，放大倍率為30～100倍。目前這款設(shè)備售價(jià)為3000日元，折合人民幣約200元，國(guó)內(nèi)已有專業(yè)公司代理銷售。

高科技產(chǎn)品極大地豐富了人們的社會(huì)生活，帶來許多便利。應(yīng)當(dāng)充分利用現(xiàn)代科技成果，深入發(fā)掘其中蘊(yùn)含的科學(xué)教育資源，拓展學(xué)生的科學(xué)探究視野，真正使科學(xué)課程貼近學(xué)生生活，激發(fā)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將其運(yùn)用于生活和生產(chǎn)實(shí)際，為以后的學(xué)習(xí)、生活和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]郭奕玲.物理學(xué)史[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:45.

[2]宗占國(guó).現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,2010:120.