《通過(guò)透鏡看世界》教案
為了對(duì)死者表示尊敬與懷念，常常需要準(zhǔn)備悼詞，悼詞是對(duì)死者表示哀悼的話或文章。悼詞的格式和要求是什么樣的呢？下面是小編整理的《通過(guò)透鏡看世界》教案，僅供參考，歡迎大家閱讀。
一、本節(jié)三維目標(biāo)要求
1.知識(shí)和技能
知道望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡是由多個(gè)透鏡組合而成的。
了解望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的基本作用。
2、過(guò)程與方法
經(jīng)歷利用兩個(gè)透鏡組成望遠(yuǎn)鏡的實(shí)踐過(guò)程。
經(jīng)歷利用兩個(gè)透鏡組成顯微鏡的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。
初步學(xué)習(xí)逆向、類(lèi)比的物理思維方法。
3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀
激發(fā)學(xué)生對(duì)宇觀世界和微觀世界進(jìn)行觀測(cè)的興趣。
增強(qiáng)學(xué)生的自然審美能力，培養(yǎng)熱愛(ài)自然、熱愛(ài)科學(xué)的情感。
進(jìn)一步形成科學(xué)的認(rèn)識(shí)觀。
二、重點(diǎn)與難點(diǎn)
本節(jié)的重點(diǎn)是讓學(xué)生利用凸透鏡自行組裝望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的兩個(gè)動(dòng)手操作過(guò)程。
本節(jié)的難點(diǎn)在于如何啟發(fā)并正確指導(dǎo)學(xué)生完成這兩個(gè)實(shí)踐活動(dòng)。
二、教學(xué)實(shí)施建議
望遠(yuǎn)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(duì)這一部分的內(nèi)容未作明確要求，但是為了進(jìn)一步拓展對(duì) “凸透鏡成像的應(yīng)用”的了解，教材吸納了這方面的內(nèi)容。基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍，本節(jié)教學(xué)在“知識(shí)與技能”上不作深入要求，只是讓學(xué)生知道望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡是由透鏡組成的，望遠(yuǎn)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(guò)自主性探究過(guò)程，體驗(yàn)?zāi)嫦蛩季S、類(lèi)比等物理方法；同時(shí)通過(guò)教材提供的宇觀與微觀圖片欣賞，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然的奇異與和諧，意識(shí)到自然界是可以認(rèn)識(shí)的，樹(shù)立正確的世界觀。
�。ㄒ唬┙虒W(xué)過(guò)程
本節(jié)分為四個(gè)教學(xué)板塊：
（1）“做一架望遠(yuǎn)鏡”的“動(dòng)手做”實(shí)踐活動(dòng)；
�。�2）欣賞宇宙空間圖片以及對(duì)各種類(lèi)型望遠(yuǎn)鏡的了解；
（3）“做一架顯微鏡”的“動(dòng)手做”實(shí)踐活動(dòng)；
�。�4）微觀世界的圖片欣賞。教學(xué)過(guò)程可以按照這四個(gè)板塊的順序依次進(jìn)行。
1.“動(dòng)手做”實(shí)踐活動(dòng)
本節(jié)包括兩個(gè)“動(dòng)手做”實(shí)踐活動(dòng)。教學(xué)中，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生選擇兩個(gè)焦距不同的凸透鏡和兩個(gè)凹透鏡。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡和顯微鏡對(duì)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(huì)產(chǎn)生較為濃厚的興趣。
可以鼓勵(lì)學(xué)生提出對(duì)望遠(yuǎn)鏡與顯微鏡的一些疑惑，讓全體學(xué)生進(jìn)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(wèn)題，進(jìn)入動(dòng)手操作階段。因?yàn)檫@一操作比較簡(jiǎn)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(qiáng)調(diào)實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。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(jiǎn)易光具臺(tái)上進(jìn)行操作，并輕拿輕放，這樣也利于使多個(gè)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(ài)護(hù)實(shí)驗(yàn)器材的習(xí)慣。此外，要避免學(xué)生將調(diào)整好的“望遠(yuǎn)鏡”直接對(duì)著太陽(yáng)觀察的現(xiàn)象發(fā)生。
在操作過(guò)程中，因?yàn)橥哥R比較多，可以鼓勵(lì)學(xué)生作不同的嘗試，包括采用兩個(gè)凸透鏡、一個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡、兩個(gè)凹透鏡、多個(gè)透鏡等多種組合，其中還可以對(duì)透鏡焦距作選擇，對(duì)觀察方向作選擇等等。在實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)或者顯微功能后，可以讓學(xué)生改變兩個(gè)透鏡之間的距離，觀察望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡可以讓學(xué)生們觀察同一個(gè)物體，如在實(shí)驗(yàn)室的講桌上立起一本書(shū)，讓學(xué)生用望遠(yuǎn)鏡觀察上邊的的頁(yè)碼等等。這樣的環(huán)節(jié)旨在增加學(xué)生的動(dòng)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(yuǎn)鏡（顯微鏡）的基本組成。并回答動(dòng)手做之前的提出的問(wèn)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(duì)于望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡和顯微鏡的各種類(lèi)型以及觀測(cè)效果。對(duì)于望遠(yuǎn)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(jiǎn)單說(shuō)明伽利略望遠(yuǎn)鏡、開(kāi)普勒折射望遠(yuǎn)鏡以及牛頓反射望遠(yuǎn)鏡的性能以及適用范圍等，并且可以結(jié)合本冊(cè)教材第一章第一節(jié)中涉及的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，說(shuō)明望遠(yuǎn)鏡的重要用途以及技術(shù)變革等等。對(duì)于顯微鏡也可以做這樣的簡(jiǎn)單介紹，如介紹從胡克發(fā)明的第一臺(tái)顯微鏡到目前常用的顯微鏡（圖4-7-10），進(jìn)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?yàn)椴涣私膺@些望遠(yuǎn)鏡的`原理而產(chǎn)生疑問(wèn)，可以讓他們通過(guò)查詢(xún)資料獲取相關(guān)信息。
在對(duì)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(huì)自然界的奇異與和諧，例如因?yàn)樘h(yuǎn)而肉眼無(wú)法觀察到的月球上的環(huán)形山，因?yàn)樘?xì)微而無(wú)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(yuǎn)鏡、顯微鏡這些儀器的分辨能力的差別，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)技術(shù)擴(kuò)展人類(lèi)視覺(jué)的能力。正常人眼最多能分辨大約為0.1mm的細(xì)微物體，而隧道顯微鏡可以看到直徑數(shù)量級(jí)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(zhǎng)約7.3mm的“E”字，而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的“視力”是看到約16 000km外的螢火蟲(chóng)！以上這些比較都可以讓學(xué)生意識(shí)到科技的無(wú)窮力量，意識(shí)到自然界是可以為人類(lèi)所認(rèn)識(shí)的，從而樹(shù)立正確的世界觀。
整個(gè)教學(xué)過(guò)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(shí)間分配的尺度，讓學(xué)生充分經(jīng)歷“動(dòng)手做”的過(guò)程，同時(shí)引導(dǎo)他們“動(dòng)腦想”，體會(huì)這些運(yùn)用光學(xué)規(guī)律的儀器的應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)意義。
（二）材料準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.實(shí)驗(yàn)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(gè)不同焦距的凸透鏡。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
自制水滴顯微鏡
把一個(gè)帶針孔的硬紙板平放在兩個(gè)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(huà)一個(gè)極小的箭頭，作為觀察對(duì)象。
透過(guò)這個(gè)小水滴，應(yīng)該看到一個(gè)和原來(lái)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(gè)被水滴放大了的實(shí)象。然后再用一只放大鏡來(lái)觀察水滴。改變放大鏡和水滴之間的距離，可以找到一個(gè)合適位置，看到一個(gè)清晰的被放得很大的箭頭。
將箭頭換成一些細(xì)鹽粒�？梢园l(fā)現(xiàn)，每一小粒鹽都是一個(gè)正方體。
三、教學(xué)資源
（一）教學(xué)視頻
1.哈勃望遠(yuǎn)鏡
2.微小的世界（見(jiàn)“教師備課系統(tǒng)”光盤(pán)）
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1.望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展簡(jiǎn)史
從第一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到射電望遠(yuǎn)鏡誕生的三百多年中，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一直是天文觀測(cè)最重要的工具。
�。�1）折射式望遠(yuǎn)鏡
圖4-7-4 牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡光路圖
圖4-7-2 伽利略望遠(yuǎn)鏡光路圖
圖4-7-3 開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡光路圖1609年，伽利略制作了一架口徑4.2厘米，長(zhǎng)約1.2米的望遠(yuǎn)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(chēng)為伽利略式望遠(yuǎn)鏡。伽利略用這架望遠(yuǎn)鏡得到了一系列的重要發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)從此進(jìn)入了望遠(yuǎn)鏡時(shí)代。
1611年，德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)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(chēng)為開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡。
現(xiàn)在人們用的折射式望遠(yuǎn)鏡還是這兩種形式，天文望遠(yuǎn)鏡采用的是開(kāi)普勒式。
折射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是焦距長(zhǎng)，底片比例尺大，對(duì)鏡筒彎曲不敏感，最適合于做天體測(cè)量方面的工作。但是因?yàn)閺募夹g(shù)上無(wú)法鑄造出大塊完美無(wú)缺的玻璃做透鏡，以及重力會(huì)使大尺寸透鏡有明顯變形，因而折射望遠(yuǎn)鏡發(fā)展較為緩慢。
�。�2）反射式望遠(yuǎn)鏡
1668年，牛頓發(fā)明了第一架反射式望遠(yuǎn)鏡，他采用凹面反射鏡作為主鏡，并在主鏡的焦點(diǎn)前面放置了一個(gè)與主鏡成45°角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會(huì)聚光經(jīng)反射鏡以90°角反射出鏡筒后到達(dá)目鏡。這種系統(tǒng)稱(chēng)為牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡。
1672年，法國(guó)人卡塞格林利用凹面鏡和凸面鏡，設(shè)計(jì)了現(xiàn)在最常用的卡賽格林式反射望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡焦距長(zhǎng)而鏡身短，放大倍率大，圖象清晰；既可用來(lái)研究小視場(chǎng)內(nèi)的天體，又可用以拍攝大面積的天體。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡采用的就是這種反射望遠(yuǎn)鏡。
1918年末，口徑為254cm的胡克望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡第一次揭示了銀河系的真實(shí)大小和我們?cè)谄渲兴幍奈恢�，更為重要的是，哈勃的宇宙膨脹理論就是用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的結(jié)果。
（3）折反射式望遠(yuǎn)鏡：
折反射式望遠(yuǎn)鏡最早出現(xiàn)于1814年。1931年，德國(guó)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(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡光力強(qiáng)、視場(chǎng)大、象差小，適合于拍攝大面積的天區(qū)照片，尤其是對(duì)暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成了天文觀測(cè)的重要工具。1940年馬克蘇托夫用一個(gè)彎月形狀透鏡作為改正透鏡，制造出另一種類(lèi)型的折反射望遠(yuǎn)鏡，它的兩個(gè)表面是兩個(gè)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(yuǎn)鏡的改正板容易磨制，鏡筒也比較短，但視場(chǎng)比施密特式望遠(yuǎn)鏡小，對(duì)玻璃的要求也高一些。
由于折反射式望遠(yuǎn)鏡能兼顧折射和反射兩種望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)，非常適合業(yè)余的天文觀測(cè)和天文攝影，并且得到了廣大天文愛(ài)好者的喜愛(ài)。
2、遠(yuǎn)東最亮的“眼睛”
我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的2．16米大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，就安裝在燕山深處海拔蝴米的北京天文臺(tái)興隆觀測(cè)站。這臺(tái)三層樓高的龐然大物是目前我國(guó)也是遠(yuǎn)東地區(qū)最大口徑的現(xiàn)代化望遠(yuǎn)鏡。
它的最大特點(diǎn)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(guó)天文工作者的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。國(guó)外的望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)零系統(tǒng)和折軸系統(tǒng)，需要更換時(shí)要使用不同的副鏡。這樣做，往往會(huì)引起整值誤差，降低成像質(zhì)量，有的更換還需要花費(fèi)不少時(shí)間，影響天文觀測(cè)。而我國(guó)新研制的望遠(yuǎn)鏡采用了新的折軸系統(tǒng)方案。這個(gè)方案里面折軸系統(tǒng)和卡非靈系統(tǒng)是共用同一個(gè)副鏡，不需要更換。它是通過(guò)增加一塊反射鏡，稱(chēng)為中繼鏡，來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)方案的。國(guó)外對(duì)這個(gè)折軸系統(tǒng)給予了很高的評(píng)價(jià)。美國(guó)著名的天文光學(xué)家壘雷爾教授把這個(gè)系統(tǒng)的中繼鏡命名為s、y、z中繼鏡，就是輸定強(qiáng)，原希木，正必方中繼鏡。中國(guó)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(yuǎn)鏡，歐洲南方天文臺(tái)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(yuǎn)鏡的機(jī)械傳動(dòng)采用了先進(jìn)的油電系統(tǒng)。使重達(dá)95噸的望遠(yuǎn)鏡就像浮在油上一樣，只需相當(dāng)于3瓦電動(dòng)功力的電機(jī)就可將其驅(qū)動(dòng)，而且，還能使望遠(yuǎn)鏡跟蹤天體的精度達(dá)到0．15度。
中國(guó)科學(xué)院主持的2．16米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡鑒定會(huì)，集中了我國(guó)天文學(xué)界的專(zhuān)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(tái)自動(dòng)化研究所聯(lián)合研制的這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是2米級(jí)的，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，這就使中國(guó)的天文觀測(cè)有了遠(yuǎn)東最亮的眼睛。當(dāng)外面配備先進(jìn)的探測(cè)器，如CCD光譜儀，這個(gè)光譜儀在黑夜就能夠觀測(cè)到很暗的星，而且能自動(dòng)進(jìn)行，最后的結(jié)果全部輸?shù)接?jì)算機(jī)里面去。1993年他們做過(guò)一個(gè)超行星界的工作，取得了一個(gè)完整的光譜系列。在這個(gè)基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)超行星的不穩(wěn)定、不對(duì)稱(chēng)的暴發(fā)現(xiàn)象，并且提出了自己的一個(gè)理論模型，叫做手紙模型，即像手紙一樣的暴發(fā)模型。這個(gè)模型引起了國(guó)外的關(guān)注。
2．16米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)天文機(jī)械和自動(dòng)化控制達(dá)到了一個(gè)新的水準(zhǔn)。 CCTV《科技博覽》
3.哈勃太空望遠(yuǎn)鏡
地球的大氣層對(duì)天文觀測(cè)構(gòu)成了極大的障礙。即使在遠(yuǎn)離人煙的高山觀測(cè)，大氣電離層中的輻射仍然會(huì)使夜空背景發(fā)光，影響了一些要求很高的光度測(cè)量。此外大氣的擾動(dòng)亦是使天文學(xué)家十分頭痛的問(wèn)題。在大氣擾動(dòng)下，原本在望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)點(diǎn)狀的星光變成了模糊的圓盤(pán)，大大減低了望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的構(gòu)思，但這個(gè)夢(mèng)想?yún)s要到90年代才實(shí)現(xiàn)，太空望遠(yuǎn)鏡的歷史可以說(shuō)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(yuǎn)鏡，1990年4月由“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)送至太空，是迄今為止最大的太空望遠(yuǎn)鏡。
哈勃望遠(yuǎn)鏡總長(zhǎng)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(gè)望遠(yuǎn)鏡的心臟。它采用卡塞格林式反射系統(tǒng)，由兩個(gè)雙曲面反射鏡組成，一個(gè)是口徑 2.4m的主鏡、另一個(gè)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(guò)中心孔到達(dá)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(jìn)行精密處理，得出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)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(tái)科學(xué)儀器，分別是：寬視場(chǎng)和行星照相機(jī)、暗弱天體照相機(jī)、暗弱天體攝譜儀、高分辨率攝譜儀、高速光度計(jì)和三臺(tái)精密制導(dǎo)遙感器。第三部分是輔助系統(tǒng)，包括兩個(gè)長(zhǎng)11.8m、寬2.3m，能提供2.4kW功率的太陽(yáng)能電池板，兩部與地面通信的拋物面天線等。
哈勃望遠(yuǎn)鏡在距地面500km的太空上進(jìn)行觀測(cè)，不僅不受惡劣氣候的影響，每天都可以進(jìn)行觀測(cè)，而且擺脫了地球大氣的干擾，能夠達(dá)到地面上任何望遠(yuǎn)鏡也達(dá)不到的高靈敏度和高分辨能力，是一個(gè)性能卓越的空間天文臺(tái)。借助它可觀測(cè)到宇宙中140億光年遠(yuǎn)發(fā)出的光；它能夠單個(gè)地觀測(cè)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(duì)行星、黑洞、類(lèi)星體和太陽(yáng)系進(jìn)行研究，并畫(huà)出宇宙圖和太陽(yáng)系內(nèi)各行星的氣象圖。
目前哈勃望遠(yuǎn)鏡已有過(guò)許多重要發(fā)現(xiàn)，如拍攝到距地球5億光年遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡為人類(lèi)觀測(cè)宇宙立下了汗馬功勞。
4. 能看見(jiàn)原子的眼睛
說(shuō)起掃描隧道顯微鏡，有這樣一個(gè)比喻：假如人類(lèi)站在月球上，觀察自己的家園地球，用肉眼看去，地球不過(guò)是一個(gè)藍(lán)色的球體。如果用放大20xx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(huì)出現(xiàn)在眼前。而如果用掃描隧道顯微鏡，那么，進(jìn)入你視野的將是地球上的一粒粒砂子。
當(dāng)然，這只是一個(gè)比喻。掃描隧道顯微鏡不是望遠(yuǎn)鏡。它的重要性在于，它為人類(lèi)打開(kāi)了通向微觀世界的又一扇大門(mén)。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(jiàn)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(xì)到只有原子大小。探針的針尖接近所要觀測(cè)的樣品的表面并進(jìn)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(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生隧道電流。通過(guò)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(gè)過(guò)程很像我們用手指去觸摸一個(gè)物體的表面，觸覺(jué)神經(jīng)把信號(hào)傳到大腦，使我們產(chǎn)生對(duì)該物體表面形狀和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。不過(guò)，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(dá)到0．1nm，而垂直于物體表面方向上的分辨率可達(dá)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(guò)探針對(duì)物質(zhì)表面的原子和分子進(jìn)行搬移�？梢园釀�(dòng)原子，人類(lèi)就可以按自己的意愿對(duì)各種物質(zhì)表面進(jìn)行原子級(jí)的重構(gòu)，像搭積木一樣，把一個(gè)個(gè)分子組建在一起，制造新的材料。
掃描隧道顯微鏡還能對(duì)物質(zhì)表面進(jìn)行刻蝕。中國(guó)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(jì)算，一部<紅樓夢(mèng))只需一根大頭針針尖大小的地方就能記錄下來(lái)。這就為制作高密度的信息存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(lèi)所能直接觀察到的微觀世界的最小尺度。很顯然，這項(xiàng)技術(shù)直接促進(jìn)納米科技的發(fā)展。對(duì)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(xiàng)技術(shù)，人類(lèi)把自己的意志施加于微觀世界的時(shí)代就開(kāi)始了。 CCTV《科技博覽》
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