趣味显微镜演示实验

◆杨杰 庞诗云

显微镜是一种常见的光学仪器，其原型可以追溯到公元前一世纪，那时人们发现通过球形透明物体（如水滴、宝石等）观察微小物体，可以将物体放大成像。1590年，荷兰眼镜制造者詹森发明最早的显微镜，它用一个凹镜和一个凸镜做成，但是成像质量不高，没有引起人们的重视[1]。1665年，荷兰人列文虎克制成直径0.3厘米的透镜。他把小透镜镶在支架上，在透镜下边装一块铜板，上面钻一个小孔，现代意义上的显微镜终于诞生了。随着科技的发展，显微镜的种类不断增加，性能也不断完善。1931年，恩斯特·鲁斯卡研制成功电子显微镜，使得人们首次能观察到百万分之一毫米那样微小的物体。1986年，他获得诺贝尔奖[2]。

对于广大教师和学生来说，最熟悉的就是实验室里的光学显微镜。它结构比较复杂，主要由目镜、镜筒、转换器、物镜、载物台、通光孔等构成，体型也比较庞大，不方便移动和携带。以下介绍三则趣味显微镜实验，所用器材简便易得，实验现象生动直观，便于学生动手操作与实验探究。

1 激光笔显微实验

激光笔又叫指星笔，多用于课堂教学、天文指星、定点导向等。如教师以此作为激光教鞭，会议人员用于产品演示讲解，博物馆用于准确指示目标。这些激光功率一般在30～50 MW之间。天文爱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。野外探险可用于指示远方目标及发出求救信号，激光功率在50～150 MW之间。

目前常见激光笔有红光（波长635 nm）、绿光（波长532 nm）、蓝光（波长450 nm）、蓝紫光（波长405 nm）等。激光笔的主要核心部件是激光二极管，具有效率高、体积小、寿命长等优点，但输出功率小，单色性差。激光二极管的基本结构如图1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里—珀罗谐振腔。半导体中的光发射起因于载流子的复合，当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴发生复合，发射波长为λ的光子。激光二极管在计算机的光盘驱动器、激光打印机等小功率光电设备中得到广泛应用。

激光有以下几个特性。

1）相干性好。普通光源由原子自发辐射产生，光子的方向、频率、偏振方向不尽相同。激光的传播方向、频率、偏振方向都相同，具有极好的相干性。

2）高方向性。普通光源发出的光是发散的，激光发出的光则朝同一方向，可以传播到很远的地方，同时保证一定的功率密度。

3）单色性好。光的颜色由光的波长（或频率）决定，激光的波长分布范围极窄，颜色很纯。

4）能量集中。大量光子聚集在狭小的范围内，激光具有极高的亮度和能量。

在中学阶段，学生已经接触到激光的基本特点和性质。利用激光笔，可以制作一个简易的激光投影显微镜。实验器材包括医用注射器、激光笔、光屏、水，实验装置如图2所示。

1）利用注射器制造一个稳定的小水珠；

2）固定注射器距离屏幕两米的距离；

3）用激光笔在适当的距离照射小水珠；

4）观察激光透过小水珠在屏幕上的投影。

实验分析：由上述激光的特性可知，当激光通过小水滴（水滴相当于一个凸透镜），准直的激光在凸透镜的作用下发散开来，在光屏上形成一个激光的光斑；小水滴中有一些微小的物体（如灰尘、微小生物等），激光通过水滴时把微小物体的影子投射到光屏上，实现远距离进行显微放大的效果。实验现象如图3所示。

本实验具有如下几个优点。

1）所用实验仪器比较简单。激光笔、注射器都可以现场购买，所需费用不大，经济性较好。

2）实验现象生动直观。激光具有高亮度，选择功率稍大的激光笔，在白天也能有明显的现象。

3）趣味性和探究性较好。通过水滴凸透镜和激光的简单组合，能够在墙壁上投影出微观物体的影像。如果在水滴里面加入墨水、糖和盐等物质，还能够显示奇妙的布朗运动现象。

本实验由于器材所限，也存在一些难以克服的缺点。

1）相比传统的光学显微镜，激光显微镜只能得到微小物体的投影，不能清楚观察到物体。

2）由于使用水珠作为凸透镜，水珠在注射器下端受到空气的气流影响，容易变得不稳定，墙壁上出现的投影在运动。小水滴掉落时，实验现象无法观察。

3）由于小水滴的形状无法控制，激光显微镜的放大倍数无法确定，难以进行定量分析和计算。

4）激光笔发射的激光强度大，容易灼伤眼底，甚至导致永久失明，应当谨慎使用。

2 智能手机显微镜实验

近年来随着通信技术和信息技术的飞速发展，智能手机的性能越来越强大。如手机摄像头的像素在2010年还是500万，2013年已经提升到1300万，专家表示2014年这个数字可能增加到1600万。如此高像素的摄像头，除了拿来自拍和拍照，只要稍微进行一些小改造，手机也能成为轻便小巧的显微神器。

最简单的方法就是用水滴制造一个显微镜头：把手机平放，摄像头位置朝上，用圆珠笔的笔芯尾部沾一点儿水，小心滴在摄像头上，水滴宽度为0.25～0.5厘米，确保水滴不要溢出摄像头边缘（手机摄像头的密封性很好，不必担心水滴会渗透到手机里面）；小心地翻转手机，不要使水滴掉落下来。现在可以用手机拍照了，会发现拍摄物体的细节变得十分清晰，实现显微放大的效果。水珠是一种透明介质，水珠滴在摄像头上，使得透镜的折射率放大，镜头的放大倍率也相应提高。水滴越大越圆，放大倍数就越大；当水滴蒸发收缩后，放大倍数也相应减小。液体镜头对手机晃动十分敏感，为了达到基本的清晰度，可以用小水杯作为固定支撑平面。

2008年，美国科学家设计一款普通人也能方便操作的高性能显微镜，使用对象是iPhone手机，所需费用仅为20美元。研究人员表示，如果使用塑料透镜而不是玻璃，费用可降至10美元，如图4所示。这种简单显微镜能够拍摄皮肤感染区域的照片，也可用于观察诊断疟疾病毒，只需将血液或组织样本置于镜头下方，照片通过邮件发送给千里之外的医生，帮助他们做出诊断。

当然不是非要iPhone手机不可，其他智能手机同样能实现显微放大的效果。制作手机版显微镜的步骤很简单：

1）拿出智能手机，最好是采用触摸屏和手动对焦的手机；

2）利用黑色卡片等材料，在卡片上钻出一个小洞，充当光圈；

3）订购或者制作一个直径1毫米的玻璃珠，也可用半球形透镜代替；

4）将透镜放入光圈，使用黑胶带将它们固定在手机摄像头上；

5）调整位置，使透镜处在取景器的正中央。

精明的商家自然不会放弃这个充满巨大市场的新生事物。2014年日本的奥林巴斯、尼康等公司联合研制，推出一款可以看到微生物的手机用显微镜。这款显微镜体长6.5厘米，宽2厘米，厚度为2毫米，采用铝制成。将直径3毫米的球状镜头与智能手机的自拍镜头重叠，把要观察的东西放于其上即可使用，放大倍率为30～100倍。目前这款设备售价为3000日元，折合人民币约200元，国内已有专业公司代理销售。

高科技产品极大地丰富了人们的社会生活，带来许多便利。应当充分利用现代科技成果，深入发掘其中蕴含的科学教育资源，拓展学生的科学探究视野，真正使科学课程贴近学生生活，激发并保持学生的学习兴趣，将其运用于生活和生产实际，为以后的学习、生活和工作打下坚实的基础。

[1]郭奕玲.物理学史[M].北京:清华大学出版社,2005:45.

[2]宗占国.现代科学技术导论[M].北京:高等教育出版社,2010:120.