趣味顯微鏡演示實驗

◆楊杰 龐詩云

顯微鏡是一種常見的光學儀器，其原型可以追溯到公元前一世紀，那時人們發現通過球形透明物體（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明最早的顯微鏡，它用一個凹鏡和一個凸鏡做成，但是成像質量不高，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，上面鉆一個小孔，現代意義上的顯微鏡終于誕生了。隨著科技的發展，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分之一毫米那樣微小的物體。1986年，他獲得諾貝爾獎[2]。

對于廣大教師和學生來說，最熟悉的就是實驗室里的光學顯微鏡。它結構比較復雜，主要由目鏡、鏡筒、轉換器、物鏡、載物臺、通光孔等構成，體型也比較龐大，不方便移動和攜帶。以下介紹三則趣味顯微鏡實驗，所用器材簡便易得，實驗現象生動直觀，便于學生動手操作與實驗探究。

1 激光筆顯微實驗

激光筆又叫指星筆，多用于課堂教學、天文指星、定點導向等。如教師以此作為激光教鞭，會議人員用于產品演示講解，博物館用于準確指示目標。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。野外探險可用于指示遠方目標及發出求救信號，激光功率在50～150 MW之間。

目前常見激光筆有紅光（波長635 nm）、綠光（波長532 nm）、藍光（波長450 nm）、藍紫光（波長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、壽命長等優點，但輸出功率小，單色性差。激光二極管的基本結構如圖1所示，垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里—珀羅諧振腔。半導體中的光發射起因于載流子的復合，當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴發生復合，發射波長為λ的光子。激光二極管在計算機的光盤驅動器、激光打印機等小功率光電設備中得到廣泛應用。

激光有以下幾個特性。

1）相干性好。普通光源由原子自發輻射產生，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。普通光源發出的光是發散的，激光發出的光則朝同一方向，可以傳播到很遠的地方，同時保證一定的功率密度。

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

4）能量集中。大量光子聚集在狹小的范圍內，激光具有極高的亮度和能量。

在中學階段，學生已經接觸到激光的基本特點和性質。利用激光筆，可以制作一個簡易的激光投影顯微鏡。實驗器材包括醫用注射器、激光筆、光屏、水，實驗裝置如圖2所示。

1）利用注射器制造一個穩定的小水珠；

2）固定注射器距離屏幕兩米的距離；

3）用激光筆在適當的距離照射小水珠；

4）觀察激光透過小水珠在屏幕上的投影。

實驗分析：由上述激光的特性可知，當激光通過小水滴（水滴相當于一個凸透鏡），準直的激光在凸透鏡的作用下發散開來，在光屏上形成一個激光的光斑；小水滴中有一些微小的物體（如灰塵、微小生物等），激光通過水滴時把微小物體的影子投射到光屏上，實現遠距離進行顯微放大的效果。實驗現象如圖3所示。

本實驗具有如下幾個優點。

1）所用實驗儀器比較簡單。激光筆、注射器都可以現場購買，所需費用不大，經濟性較好。

2）實驗現象生動直觀。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象。

3）趣味性和探究性較好。通過水滴凸透鏡和激光的簡單組合，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，還能夠顯示奇妙的布朗運動現象。

本實驗由于器材所限，也存在一些難以克服的缺點。

1）相比傳統的光學顯微鏡，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，容易變得不穩定，墻壁上出現的投影在運動。小水滴掉落時，實驗現象無法觀察。

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

4）激光筆發射的激光強度大，容易灼傷眼底，甚至導致永久失明，應當謹慎使用。

2 智能手機顯微鏡實驗

近年來隨著通信技術和信息技術的飛速發展，智能手機的性能越來越強大。如手機攝像頭的像素在2010年還是500萬，2013年已經提升到1300萬，專家表示2014年這個數字可能增加到1600萬。如此高像素的攝像頭，除了拿來自拍和拍照，只要稍微進行一些小改造，手機也能成為輕便小巧的顯微神器。

最簡單的方法就是用水滴制造一個顯微鏡頭：把手機平放，攝像頭位置朝上，用圓珠筆的筆芯尾部沾一點兒水，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（手機攝像頭的密封性很好，不必擔心水滴會滲透到手機里面）；小心地翻轉手機，不要使水滴掉落下來。現在可以用手機拍照了，會發現拍攝物體的細節變得十分清晰，實現顯微放大的效果。水珠是一種透明介質，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提高。水滴越大越圓，放大倍數就越大；當水滴蒸發收縮后，放大倍數也相應減小。液體鏡頭對手機晃動十分敏感，為了達到基本的清晰度，可以用小水杯作為固定支撐平面。

2008年，美國科學家設計一款普通人也能方便操作的高性能顯微鏡，使用對象是iPhone手機，所需費用僅為20美元。研究人員表示，如果使用塑料透鏡而不是玻璃，費用可降至10美元，如圖4所示。這種簡單顯微鏡能夠拍攝皮膚感染區域的照片，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，照片通過郵件發送給千里之外的醫生，幫助他們做出診斷。

當然不是非要iPhone手機不可，其他智能手機同樣能實現顯微放大的效果。制作手機版顯微鏡的步驟很簡單：

1）拿出智能手機，最好是采用觸摸屏和手動對焦的手機；

2）利用黑色卡片等材料，在卡片上鉆出一個小洞，充當光圈；

3）訂購或者制作一個直徑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攝像頭上；

5）調整位置，使透鏡處在取景器的正中央。

精明的商家自然不會放棄這個充滿巨大市場的新生事物。2014年日本的奧林巴斯、尼康等公司聯合研制，推出一款可以看到微生物的手機用顯微鏡。這款顯微鏡體長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。目前這款設備售價為3000日元，折合人民幣約200元，國內已有專業公司代理銷售。

高科技產品極大地豐富了人們的社會生活，帶來許多便利。應當充分利用現代科技成果，深入發掘其中蘊含的科學教育資源，拓展學生的科學探究視野，真正使科學課程貼近學生生活，激發并保持學生的學習興趣，將其運用于生活和生產實際，為以后的學習、生活和工作打下堅實的基礎。

[1]郭奕玲.物理學史[M].北京:清華大學出版社,2005:45.

[2]宗占國.現代科學技術導論[M].北京:高等教育出版社,2010:120.