写给孩子看的天文王望远镜原理（一）

本文以开普勒式天文望远镜为例讲解天文望远镜的原理。

1300年前，还是孩童的李白，在一个晴朗的夜晚，看向了月亮，这是一个白色且光滑的圆盘。

儿时不识月，呼作白玉盘

400年前，伽利略使用自制的天文望远镜望向了月亮，发现了月亮上的环形山、盆地，她的表面坑坑洼洼，一点都不像人眼所看到的那样光滑。

为什么人眼直接看到的月亮与通过天文望远镜看到的月亮差别如此大呢？

眼睛之所以能够看到物体，是因为物体发射或反射的光进入了人眼。既然人眼通过天文望远镜看到了环形山，说明环形山反射的光线达到了观测者，为什么人眼无法直接看到这些环形山呢？

这可以从两个方面去解释：亮度和张角。

首先，说一下亮度。看室内灯时，会觉得其非常亮，甚至刺眼；而看路灯时，却觉得其非常暗。是路灯比室内灯更亮吗？单从照明面积去分析，便可得出否定的结论，因为路灯的照明面积比室内灯大得多，需要的亮度自然也就大得多。

那是什么使室内灯看起来比路灯看起来更亮呢？答案是距离。灯发出的光线形成一个发散的光线球，人眼的大小却是固定的，离灯泡越远，进入人眼的光线越少，看起来也就越暗。

物体离人越远，看起来越暗，当亮度低到一定程度时，人眼就无法看清该物体了。环形山就是这样，离我们太远了，反射的光线只有很少的部分进入人眼，自然也就无法看清它了。

然后，说一下张角。近距离观察鸟时，它的双眼反射的光线进入人眼，形成一个张角，当这个张角小到一定程度时，人眼就无法区分这是两个眼睛了，而将其看成是一体的。

远距离观察鸟时，由于距离增大，张角变小，因此，只能看清鸟的轮廓，无法看清哪里是眼镜，哪里是嘴巴了。

环形山上下两点反射的光线进入人眼，由于张角太小，人眼是无法识别出环形山的。

天文望远镜具备两个能力：

• 聚光，提高亮度
• 将像拉近，放大张角

将凸透镜放在阳光下，会形成一个亮斑，这是因为凸透镜有聚光作用。这个亮斑叫做焦点，焦点距凸透镜的距离叫做焦距，而太阳距离凸透镜的距离叫做物距。

科学家发现，当物体离凸透镜非常远时，会在凸透镜另一侧，成一个倒立、缩小的实像。如果在此处放一个胶片，胶片就会记录下该实像，照相机就利用了此原理。

当物体离凸透镜非常近时，光发散地厉害，经凸透镜聚光后，仍然是发散的。此时，会在凸透镜同一侧成一个正立放大的虚像，放大镜就利用了此原理。

天文望远镜采用了两片凸透镜来制作，第一片透镜用于观察天体，称作物镜，天体离物镜非常远，用于给物体成倒立、缩小的实像；第二片透镜用于观察该实像，称作目镜，目镜离物像非常近，用于放大观察该像。

通过天文望远镜观察月亮时，物镜收集的光，全部进入人眼。人瞳孔直径约为3mm，根据圆的面积公式，一个150mm的物镜，可将亮度提升2500倍。

通过天文望远镜观察月亮时，人眼观测的是月亮通过物镜所成的倒立、缩小的实像，这个像离人眼很近，大大提高了张角。

科学家经过计算，天文望远镜的放大率约等于物镜焦距÷目镜焦距。

天文望远镜的物镜通常是固定的，而目镜可以更换，以此来得到不同的放大率。理论上，只要目镜焦距足够小，放大率就可以无限大。

但是，物体放大后，会出现一系列问题，如：视场变小、变暗、变形等，这就限制了天文望远镜的有效放大率。一般来说，天文望远镜的有效极限放大率为Dx2，D为物镜直径，单位为mm，一个150mm的物镜的天文望远镜最高放大倍率为300，超过这个就看不清了。