到處都是這塊「鏡」？

你能看到多遠呢？原來，人類可以利用一塊塊透明的玻璃來折射光線，令我們可以看見很遠的事物，這就是望遠鏡的原理。這些可折射光線的玻璃稱為透鏡，在生活中也能到處看見，你又察覺嗎？

神奇的望遠鏡

望遠鏡的內部結構

這個是折射式望遠鏡，內有5塊凸透鏡。

最短對焦距離

眼睛觀看太近的物件時，光線無法在短距離聚焦，使影像變得模糊不清。

由於影像在眼睛後方，故站後些就可看清物件。

物件的光線穿過物鏡後投射出放大和上下倒轉的影像，於是要加入一組凸透鏡，令光線再次折曲，以呈現方向正確的影像。

凸透鏡是甚麼？

多用玻璃片磨製而成，形狀向外凸出，能令光線折射及會聚在一點，故又稱「會聚透鏡」。

以直線前進的光線經過凸透鏡後被折射，集中在同一點。

盛了水的杯子、一滴水等曲面透明物件也可成為凸透鏡。

凸透鏡的特點

1 放大近景

由於大腦不知道光線穿過凸透鏡後會改變方向，故循着直線尋找光源，因而看到比實物大的影像。

2放大和倒轉稍遠的景物

若物件離焦點較近， 所投射的影像就會在離凸透鏡較遠的位置形成。相反，若物件離焦點較遠，就會離凸透鏡較近的位置形成影像。

3 縮小和倒轉遠景

當物件比焦點遠，上方光線會折射到下方，令影像上下倒轉。而當物件離焦點愈遠，影像更會開始縮小。

光線的反射與折射

凸透鏡能產生不同的視覺效果，但它跟鏡子有甚麼不同？

光線是直線前進，當它遇到光滑物體如鏡子時，就會以相同角度反射回來，而非穿透過去。

光線能穿透水、玻璃等不同媒介，但會受到當中的電子阻撓而減慢速度，繼而產生折射。圖中的光線穿過玻璃時減速，前進角度因而改變。

若增大光線照射到玻璃的角度，折射光線會慢慢消失，最後所有光都被反射出來。此時玻璃就如鏡子一樣，此現象稱為全內反射。

當光線穿過一塊等腰直角三角形的稜鏡時，更會旋轉180°，發生兩次全內反射。

生活中的透鏡

人的眼睛

眼角膜和晶狀體形似凸透鏡，把光線折射並聚焦在視網膜上。眼角膜形狀固定，而晶狀體則能隨意變形。

在看近距離的物件時，圍繞晶狀體的肌肉收縮，令晶狀體變凸，增加折射程度以對焦。

 在看遠距離的物件時，圍繞晶狀體的肌肉放鬆，令晶狀體變得較扁平，減少折射程度。

變焦手電筒

有些手電筒利用凸透鏡，透過伸縮筒身去改變燈泡與凸透鏡的距離，就能調節光源強弱。

凸透鏡把集中的燈泡光源折射並發散，就如放大鏡把近處的物件放大。這適合用於大範圍照射。

稍為發散的燈泡光線被凸透鏡折射成平行光束，可用作遠射。

 燈泡光線以接近平行的角度照射到凸透鏡，凸透鏡將其折射並會聚，適合小範圍照明。

放大鏡

放大鏡以凸透鏡把近處的物件放大，有些則使用更輕更薄的菲涅耳透鏡（Fresnel lens）。

一般透鏡

菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡去掉一般透鏡中不改變光線路徑的多餘物料，只保留產生折射的曲面部分，既節省用料，又有相同的折射效果。

因為它更薄，故能傳遞更多光，最初常用於燈塔，現今則用於路燈、舞台射燈等。圖為美國航空母艦上的着陸燈號。

凹透鏡是甚麼？

凹透鏡形狀和特性與凸透鏡相反，它向內凹陷，能令光線散開，故又稱發散透鏡。

不論物件和焦點的距離是遠或近，所投射的影像都會變小和保持方向。

生活應用：防盜眼

由一組凹透鏡和凸透鏡組成。

望遠鏡的種類

人眼有限制，物件愈遠就顯得愈小和愈暗，故需要望遠鏡收集更多光線及放大遠方物件。以下為大家介紹「折射式望遠鏡」和「反射式望遠鏡」。

折射式望遠鏡

折射式望遠鏡的原理是利用透鏡折射物件的光線。

透鏡愈大，雖能收集愈多光線，但仍會反射部分光線，不利觀看遠方事物。而製作大型曲面透鏡亦十分困難。

不同波長的光無法聚焦在同一點，造成色差，使影像模糊。

組合不同折射程度的透鏡去改變光線屈折的角度，就能減少色差，例如加入凹透鏡。

伽利略式

凹透鏡能形成方向正確的影像，但視野較狹窄，影像亦較易模糊。

開普勒式

由伽利略式望遠鏡改良而成，最上面介紹的望遠鏡就是這一種。

雖然凸透鏡把影像上下倒轉，但它能聚焦光線，令視野更清晰廣闊。

現存最大的折射式望遠鏡座落於美國葉凱士天文台。其物鏡為一塊直徑1.02 米的雙合透鏡， 由兩片透鏡結合而成，重達225公斤！

反射式望遠鏡

利用鏡子反射物件的光線，下圖是牛頓設計的樣式。

由於較易製作大的鏡子和沒有色差問題，大型天文望遠鏡多為反射式。

（上圖）歐洲極大望遠鏡（簡稱E-ELT）於2025 年啟用，將會是全球最大的反射式望遠鏡。

（下圖）物鏡直徑達39.3 米，由798個六角形鏡子拼砌而成。

天文望遠鏡

當宇宙天體發出的光線穿過地球大氣層時，不同溫度或密度的空氣會改變其折射率，令影像扭曲或閃爍，故天文望遠鏡多置於空氣較稀薄的高地。

乾脆把望遠鏡放上太空吧——太空望遠鏡

望遠鏡圍繞地球旋轉，因不受大氣層和光污染影響而產生較清晰的影像。除了可見光，有些望遠鏡會收集紅外線、伽瑪射線等，供科學家作不同研究。

哈勃太空望遠鏡為世上首台太空望遠鏡，曾拍攝到新星誕生、星系碰撞、彗星撞擊木星等影像，加深人們對宇宙的認識。

試試改善地面望遠鏡的設計吧！——調適光學

在望遠鏡焦點後方安裝一塊可變形小鏡，它會根據光線扭曲程度快速調整鏡面形狀，從而修正影像。由於光線會不斷扭曲，鏡子也要不斷變形。

甚大望遠鏡（VLT）以調適光學拍出比哈勃太空望遠鏡（右圖）更清晰的海王星影像。

 本文由《兒童的科學》提供。