顯微鏡與望遠鏡的奧妙

自序
對於許多人來說，顯微鏡和望遠鏡是非常神奇的光學儀器。望遠鏡可以用來觀察遠 處的物體，在戰場上可用來瞭望敵情，在天文上，大口徑的望遠鏡幫助人類了解宇宙， 發現新的宇宙現象，探索宇宙深處，了解宇宙的過去未來。顯微鏡則可用來觀察微小物 體的大千世界，研究細菌，查看許多物體的結構。從感官來講，顯微鏡和望遠鏡神奇地 延伸了人類的視力，這種神奇的感官經驗，使得顯微鏡和望遠鏡成為幾何光學中最為有 趣的主題。
表面上來看，望遠鏡用來瞭望遠方的物體，顯微鏡則細看近在眼前卻視而不見的小 生物，兩種儀器天差地別，大異其趣，似乎截然不同。但令人驚奇的是，顯微鏡和望遠 鏡的工作原理幾乎相同，而且相當容易理解。
簡單的說，顯微鏡之所以能放大微小物體，原因是：顯微鏡藉由物鏡，形成微小物 體之放大實像（就好似幻燈機或投影機，將微小的照片或圖片放得很大，形成在屏幕上 的巨大實像），再用放大鏡（也就是目鏡）進一步放大此實像，就好似用放大鏡放大一 般物體一樣，於是可以將微小的物體放大近1500倍。望遠鏡則利用物鏡，將遠方物體 之縮小實像呈現在眼前（此過程有如照相機），再用放大鏡，放大此近在眼前的實像。 顯微鏡和望遠鏡，都利用物鏡形成物體的實像，再用放大鏡放大此實像。
可惜的是，絕大多數幾何光學書籍之相關解釋，對初學者而言都太過抽象，很少人 能夠弄懂。許多教科書論及實像時，太偏重圖解和公式計算，但卻沒有解釋或表達清楚 實像的特質。
主要的問題是，教科書在討論如何觀察實像時，採取了權宜但不妥的方法，只強調 利用屏幕觀察實像，誤導了學生，使學生不能真正了解實像之性質，更進一步阻撓了學 生理解顯微鏡和望遠鏡的工作原理。
科技部多次給予作者實作計畫之經費資助。實作計畫之宗旨在於研製並商品化科學 教具或玩具，而此科學教具和玩具須有趣神奇，且具有科教功能。作者之選擇是，研製 闡釋教科書內容的有趣教具，目的在非但使科學有趣，更要使學校中的傳統科學課程有 趣，一方面擴大商品化的市場，另一方面與五花八門的玩具或科學玩具作明確區分。
但作者之資源仍然非常有限，所以從教科書中最核心的部分著手，先研發與教科書 核心內容密切相關的教具。例如：作者以引擎作為熱力學之主要教具，因為熱力學的重要內容都與引擎有關；又例如：作者研製顯微鏡和望遠鏡作為幾何光學的主要教具，因 為兩者涉及幾何光學中最核心的幾項課題，包括:實像、虛像的形成，透鏡、反射鏡成像、透鏡組合等等。
此外，作者初期也多著力於創作、研發尚未存在，可以明顯改良或具有更重要功能 之教具。所以，即便有些既有之教具+分有趣，作者也暫時不花精力來仿製，以建立教 具研發之國際知名度和在此領域的學術地位。
雖然科技部昨計畫，著作計畫，著重於實作及商品化，但作者主張此類作品（不論 教具或玩具）都要料贫明喷料，說明原理，舉一反三。此書就是基於此項理念的作品。
作者不僅研發可以自行組合的大尺寸教學顯微鏡和望遠鏡，使這些創作成為具有另 類功能的積木，並命名為積木顯微鏡，更利用這些教具生動演示顯微鏡和望遠鏡的工作 原理，甚至進一步理解：望遠鏡視野中的十字瞄準器位於何處，顯微鏡視野中的刻度尺 如何安裝、空間濾波等更深入的內容。
這本書藉由簡單的W驗和說明，搭配作者研發购I大只寸教學顯微鏡和望遠鏡，讓學 習者輕鬆生動地了解顯微鏡和望遠鏡的工作原理。讀完此書，讀者可以完整且深入了解 這兩項儀器的原理。當然，這本書基本上與課本內容緊密結合，可作為幾何光學之參考 書，但本書比一般教科書更為清晰，更為易懂，值得一讀。
周鑑恆
中華民國104年8月 台灣大學物理博士
美國哈佛大學博士後研究