放大镜
眼睛是动物的感光器官，它的作用就像一个双凸透镜。物体射来的光通过眼睛的晶
状体的折射，在视网膜上形成缩小的实像。一个物体能否被眼睛看清楚，跟视角有关系。
视角就是由眼睛的光心向物体的两端所引出的两条直线的夹角。同一个物体离眼睛近时
视角较大看得清楚，离眼睛远时视角较小就看不清楚。但物体离眼太近会引起眼的疲劳，
眼睛可以看得清楚又不感到疲劳的最近距离叫明视距离。如果把小物体放在明视距离处，
还是看不清楚就要用放大镜或显微镜等仪器来增大眼睛的视角，帮助我们把小物体看清
楚。
放大镜实际上是一种焦距较小的凸透镜。由于光线通过凸透镜会发生折射，使凸透
镜具有放大、聚光、成像的作用。当物体在凸透镜的焦距以内，从物体某一点引出的平
行于主光轴的人射线，和通过光心的人射线不能汇聚到一点，只能在反向延长线上汇聚，
所形成的像就是一个放大的虚像(见下左图)。如果这个虚像出现在明视距离处，那么我
们就能以增大的视角看清楚这个物体。
放大镜的放大率
放大镜的放大率等于明视距离和放大镜的焦距之比。正常人的眼睛的明视距离一般
在25厘米左右，如果一个放大镜的焦距是2. 5厘米，它的放大率就是10倍。通常放大镜
的焦距是10厘米到1厘米之间，所以对正常眼睛来说，放大镜的放大倍数基本上在2. 5倍到25倍之间。应该注意的是，仪器的放大率和像放大率是有区别的，前者对同一放大
镜来说是一定的，而后者则随物距而变化。
显微镜
显微镜是由两个凸透镜组成的，其中一个对着物体的叫做物镜，对着人眼的叫做目镜。
物镜的焦距短而日镜的焦距长一些。把物体放在物镜的焦点附近，使物距稍大于焦
距，就会在日镜的焦距内生成一个放大的、倒立的实像，这个放大的像通过日镜的折射
后进人人眼，人们就会在日镜中看到一个放得更大的、正立的虚像。即日镜相当于一个
放大镜，物体的人射光线通过物镜成像后再经日镜放大。
显微镜的光路图
显微镜的历史和发展
在显微镜发明以前，人类可以用感官把握的世界是一个常规的世界。那时候人们相
信“眼见为实”，对于绝大多数人来说，世界就是眼、耳、鼻、舌、身五种感觉器官所能
探知的世界。人能发现的最小的世界，就是蚂蚁等昆虫的世界。
最早的显微镜实际上就是一个放大镜，放大镜是凸透镜。最早发现透镜的地方在伊
拉克的尼尼书遗址，透镜用透明水晶制作，直径为3. 81厘米，焦距11. 43厘米。可见古
代巴比伦人已经发现某些透明的宝石可放大物体的影像。据说罗马皇帝尼罗喜欢把翡翠
或宝石放在眼前观看比赛或表演。在13世纪，英国的一位主教格罗斯泰斯特最早提出放
大装置的应用，他的学生培根根据他的建议，设计并制造出能增进视力的眼镜。
起初最好的放大镜也不过把物体放大到20倍左右。在17世纪，人们发现把两块凸透
镜组合起来，能明显的提高放大能力，这种装置就是显微镜的前身。第一架真正的显微
镜，是用一片凸透镜和一片凹透镜重叠起来组合而成，又称为复式显微镜，是荷铸眼镜
匠詹森父子制成的，后来经意大利天文学家伽利略加以改良，显微镜才有了更佳的效果。
显微镜的发明，使人类第一次发现了微生物和细胞生存的世界。最初的显微镜很简
单，只能放大50^-200倍，以后又不断改进，逐渐发展。比如1830年发明了既无色差又
无球面像差的显微镜，1904年德国蔡司光学仪器厂制成了暗视野显微镜。其他的还有双
筒显微镜、立体双筒显微镜等。光学显微镜可以把物体放大到1 500倍左右，能够观察到
细菌的形状。如果用它观察蚊、蝇的小腿，看到的成像比电线杆还要粗。
为了分辨更小的物体，不少科学家千方百计地改进光学显微镜以提高它的放大倍数，
可是虽然付出了艰辛的劳动，却一直没有多大的进展。因为这已不是仪器本身的问题，
而是光子的问题。随着量子力学理论的发现，人类逐渐地认识到，由于人眼可见光频率
范围的限制，使我们无法通过显微镜观察到线度比可见光波波长更小的物体。在20世纪
30年代，科学家发现电子射线具有波动性，当其频率越高的时候，波长就越短，它的波
长可以是光波的几万分之一。电子射线照射物体时，就能使更小的物体留下影像。
1932年，德国科学家诺尔和鲁斯卡在柏林制成世界上第一台电子显微镜。电子显微
镜和光学显微镜不同，它是以电子束代替光束，用磁场代替透镜来观察细微物体。电子
显微镜一下子把放大倍数提高到1万倍。到20世纪90年代，世界上已经研制出放大率
200万倍的电子显微镜，人们利用它看到了物质内部的精细结构。看见所有物质都是由一
些肉眼看不见的极小极小的微粒组成的，发现了原子世界。
1983年，人们发明了扫描隧道显微镜。这种显微镜比电子显微镜更先进。显微镜技
术的发展，为我们研究微观世界提供了可靠有力的工具，它是人类最敏锐的眼睛。自从
扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0. 1至100纳米这样的尺度为研究对象的
新学科，这就是纳米科技。作为一门极有前途的新兴科学，纳米科技以空前的分辨率为
我们揭示了一个可见的原子、分子世界。纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米。
纳米电子学和纳米生物学相结合产生的生物分子机器，能在1秒内完成几十亿个动作。
生物分子机器可以盖房造屋、挖掘隧道、开采矿藏、打捞沉船、铺设光缆，等等。生
物分子机器还能治病，如进人人体修复有病的器官，清扫受阻的血管，除去癌变细胞，
更换有缺陷的基因，等等。因此，人类可借纳米科技消灭绝症。从包括微电子等在内
的微米科技到纳米科技，人类正向微观世界逐步深人，人们认识、改造微观世界的水
平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森曾指出，纳米左右和纳米以下的结
构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产
业革命。
但是，对于微观世界的探索和发现，也导致了威胁人类和整个地球的可怕的武器
和污染的出现，人类在享受发现新世界的快乐的同时，也面临着更大的新的危险。原
子弹、基因武器、人造病毒、人为改变基因等，都将对人类的生活产生巨大的影响。
在微小的世界里，隐藏着很大的能量，一旦释放出来，既可以造福人类，也可以使人
类毁灭。
昆虫世界
昆虫是地球上最多的生物种类，日前已知约有100万种昆虫，占动物种类的80%以
上，约占地球所有生物物种的一半。估计世界上可能还有300 ^-500万种昆虫有待于人们
去发现。体。在森林里，每平方米可有10万头弹尾日昆虫。蝗灾大发生时，个体数可达'7 ^-12亿之多，总重量约1 250^-3 000吨，群飞覆盖面积可达5^-12平方千米，可以说是遮天盖地。
昆虫活动的昼夜节律
大多数昆虫的各种活动，如摄食、交配、飞翔，均有昼夜节律。有的昆虫多在白天
活动，称昼出性昆虫，如蝶类。有的昆虫多在夜间活动，称夜出性昆虫，如蛾类。一般
蚊子多在清晨或黄昏活动，称弱光性昆虫。
食性
根据昆虫食物性质的不同，可把昆虫分为植食性、肉食性、杂食性、腐食性、寄生
性等几种主要类别。
趋性
指昆虫对某种刺激进行趋向的或反趋向的定向活动。如大多数蛾类具有趋光性，尤
其对紫外线最为敏感。性成熟的雌蛾能分泌性外激素，以吸引异性个体前来交尾。
保护色、警戒色、拟态
许多昆虫在长期的自然选择的作用下，其颜色与形态逐渐与生活环境相适应，如
同一蚌蠕或蝗虫，生活在青草中的体色为绿色，而生活在枯草中的体色则为枯黄色。
某些具有毒刺或恶臭的昆虫都具有鲜艳的色彩和斑纹，它们以其身上醒日的色彩警告
那些企图捕食它们的天敌。另外，一些昆虫虽然本身没有防御和保护的器官，但它们
可以模拟那些具有防御和保护能力的昆虫的颜色和形状，使其天敌不易分辨而不敢动
它。
昆虫的触角
昆虫基本上都有一对触角。触角长在昆虫两只复眼的中上方，昆虫活动的时候，
这两根触角总是不停地摆动着，东察西探，像是寻找猎物的雷达。触角是主要的感觉
器官，有嗅觉、触觉和听觉的功能。触角能够帮助昆虫寻找食物和配偶，并探明身体
前方有无障碍物。在有些昆虫中，触角还有其他用处，例如，在交配时用来抱住雌虫，
捕捉食物，在水中使身体平衡，水龟虫则用来帮助呼吸。昆虫的触角有许多种类，了
解触角的类型，可以用来识别昆虫。有的昆虫雌、雄性的触角各不相同，例如一些蛾
类。
昆虫不但种类多，数量也相当惊人，有时一亩地里的昆虫可达几十万只。而且同一
种昆虫的个体数量也很多，一个蚂蚁群可多达50万个个体。一棵树可拥有10万个蚜虫个体。在森林里，每平方米可有10万头弹尾日昆虫。蝗灾大发生时，个体数可达'7 ^-12亿
之多，总重量约1 250^-3 000吨，群飞覆盖面积可达5^-12平方千米，可以说是遮天盖
地。
昆虫活动的昼夜节律
大多数昆虫的各种活动，如摄食、交配、飞翔，均有昼夜节律。有的昆虫多在白天
活动，称昼出性昆虫，如蝶类。有的昆虫多在夜间活动，称夜出性昆虫，如蛾类。一般
蚊子多在清晨或黄昏活动，称弱光性昆虫。
食性
根据昆虫食物性质的不同，可把昆虫分为植食性、肉食性、杂食性、腐食性、寄生
性等几种主要类别。
趋性
指昆虫对某种刺激进行趋向的或反趋向的定向活动。如大多数蛾类具有趋光性，尤
其对紫外线最为敏感。性成熟的雌蛾能分泌性外激素，以吸引异性个体前来交尾。
保护色、警戒色、拟态
许多昆虫在长期的自然选择的作用下，其颜色与形态逐渐与生活环境相适应，如
同一蚌蠕或蝗虫，生活在青草中的体色为绿色，而生活在枯草中的体色则为枯黄色。
某些具有毒刺或恶臭的昆虫都具有鲜艳的色彩和斑纹，它们以其身上醒日的色彩警告
那些企图捕食它们的天敌。另外，一些昆虫虽然本身没有防御和保护的器官，但它们
可以模拟那些具有防御和保护能力的昆虫的颜色和形状，使其天敌不易分辨而不敢动
它。
昆虫的触角
昆虫基本上都有一对触角。触角长在昆虫两只复眼的中上方，昆虫活动的时候，
这两根触角总是不停地摆动着，东察西探，像是寻找猎物的雷达。触角是主要的感觉
器官，有嗅觉、触觉和听觉的功能。触角能够帮助昆虫寻找食物和配偶，并探明身体
前方有无障碍物。在有些昆虫中，触角还有其他用处，例如，在交配时用来抱住雌虫，
捕捉食物，在水中使身体平衡，水龟虫则用来帮助呼吸。昆虫的触角有许多种类，了
解触角的类型，可以用来识别昆虫。有的昆虫雌、雄性的触角各不相同，例如一些蛾
类。
昆虫触角的主要类型
各式各样的口器(嘴巴)
口器是昆虫的嘴巴，担负着取食的重任。昆虫食料来源很广，有固体的，也有液体
的，有暴露在外的，也有深藏在内的。因此，昆虫就有了各种各样相应的取食方式和口
器类型。
咀嚼式口器
这种口器在昆虫中是比较典型的，其他类型都是由这种类型演变而来的。咀嚼式口
器是用来取食固体食物的。蝗虫的口器是咀嚼式口器的代表，此外，鞘翅日的成虫和幼
虫、脉翅日成虫、鳞翅日幼虫及膜翅日多数成虫也都是咀嚼式口器。
刺吸式口器
吸食动物血液和植物汁液的昆虫的口器就像一个空心的注射器的针头，取食时把针
状的口器插到动植物的组织内吸食其中的汁液，这种口器叫做刺吸式口器。草岭等脉翅
日昆虫的幼虫(蚜狮、蚁狮)具有捕食性的刺吸式口器，简称捕吸式口器，其特点是外
形似一对镰刀，左、右的上下P v分别合成刺吸构造。
虹吸式口器
虹吸式口器是蝴蝶和蛾类特有的口器，它能吸到花朵深处的花蜜，因为这类口器长
得像一根中间空心的钟表发条，用时能伸开，不用时就盘卷起来。这种构造一般用来吸
食花蜜、水、腐烂的动植物汁液，有的也吸食成熟的果实。
舌氏吸式口器
苍蝇吃东西又吸又舔，因此口器就像一个蘑菇头。取食时，两唇瓣展开平贴到食物
上，使环沟的空隙与食物接触，液体食物即顺环沟流向前口而进人食物道。唇瓣也可向
后翻转，使前口齿外露，刺刮固体食物，食物碎粒和液体一起吸人。舌氏吸式口器为蝇类
成虫所特有。
嚼吸式口器
嚼吸式口器既能咀嚼固体食物，又能吸收液体食物，蜜蜂的口器是这类口器的典型
代表。它的上P与咀嚼式口器相仿，用以咀嚼花粉和筑巢等。它的下P和下唇组成吮吸
用的P。蜜蜂的P仅在吸食时才由下P和下唇合并而成，不用时则分开并折叠在头下。
这时上P即可发挥咀嚼作用。(如下图)
咀嚼式口器
舌氏吸式口器
双刺吸式口器
虹吸式口器
刺吸式口器
昆虫的足
昆虫足的形态多与其各自的功能相适应，变化也很明显。如嶂螂的足各节比较细长，
适于疾走，称步行足。蝗虫的后足腿节强壮有力，适合跳跃，称跳跃足。龙虱的后足扁
平如浆，适合游泳，称游泳足。蝗螂的前足基节较长，胫节与腿节生有棘刺，两相吻合，
适于捕捉小动物，称捕捉足。缕姑的前足粗短，胫节扁平如铲，跄节呈齿状，适于地下
生活时掘土，称挖掘足。蝇类可在光滑的玻璃上行走，甚至在天花板上仰行也不会跌落，
这是因为它们的足的末端爪垫多毛，并能分泌钻液。蜜蜂后足称携粉足，它更复杂，足
上有类似“花粉筐”“花粉梳”“压粉器”的结构。采集花粉时，它用花粉梳将钻附在体
表的花粉刷下，经压粉器将花粉压紧成团，然后置于花粉筐中带回。
晶体
物质是由分子、原子或离子构成的，物质按结构，可分为晶体、非晶体、准晶体三
种。如果组成物质分子、原子或离子这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列，
形成空间点阵结构时，就形成了晶体。
晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部粒子的排列
十分规整，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个粒子沿某一方向平移一
定距离，必能找到一个同样的粒子。食盐的主要成分氯化钠(}IaCl)是一种常见的晶体，
它是由钠离子(Va)和氯离子(Cl-)按一定规则排列的立方体所组成。又如钻石，它
是由碳原子在大范围内按一定的规则排列而成的晶体。
晶体一般是固体形态，值得注意的是，并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃、
松香、玻拍、珍珠就不是晶体。因为组成玻璃的微观粒子只是在一个很小的范围内作有
规则的排列，而从大范围来看，它们的排列是不规则的。准晶体是最近发现的一类新物
质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。
晶体的性能、用途和应用
晶体不仅美丽，还有许多重要的用途。当物质以晶体状态存在时，它将表现出其他
物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。
此外，由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导
体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄影、
宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。
比如说激光晶体。这是一种非常重要的晶体，它吸收足够的能量之后能发出一种特
殊的强光一激光。日前，人们已研制出数百种激光晶体。其中，红宝石晶体是最引人
注日的一种。今天，这些激光晶体在军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域内都
已得到了广泛的应用。例如，激光电视、激光彩色立体电影、激光雷达、激光手术刀等
都是激光晶体在这些领域内成功应用的结果。又如水中通信，由于海水对红光产生强烈
的吸收，而对蓝绿光则吸收得较少，因此，蓝绿光在海水中能够传播较远的距离。利用
这一特性，人们就可以利用激光晶体产生的蓝绿光进行水中通信和探索。
另一种重要的晶体是半导体晶体。由半导体晶体硅和锗做成的各种晶体管，取代了
原来的电子管，在无线电子工业上有着极其广泛的应用，由于它们的出现，电子产品的
体积大大减少，成本大幅度降低。可以说，没有半导体晶体，我们今天就不可能拥有随
身听、超薄电视和笔记本电脑等体积小巧、携带方便的电子产品了。此外，光纤通讯技
术也离不开半导体晶体。利用这种晶体做光源，人们就能在一根头发丝般的光导纤维中
传递几十万路电话或几千路电视，从而大大提高了信息传递的数量和质量。试想，如果
没有这些半导体晶体，我们怎能看到高清晰度的电视，又怎能清楚地听到从遥远的大洋
彼岸传来的亲人的声音呢?
水晶等晶体具有压电效应，当晶体受到外力作用时，晶体会发生极化，并形成表面
电荷;反之，当晶体受到外加电场作用时，晶体会产生形变。人们利用晶体的压电效应
制成石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机、血压计、呼吸心音测定器
等，被广泛地应用于人们的日常生活中。
当光波和声波同时射到晶体上时，声波和光波之间将会产生相互作用，从而用于控制光束，
如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等;这种晶体称为声光晶体，利用
这些晶体，人们可制成各种声光器件，广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫
描、光子计算机的光存储器及激光通信等方面。
在众多性能之中，最奇妙的是晶体的光折变效应。具有这种效应的晶体叫光折变晶
体。当外界微弱的光照到这种晶体上时，晶体的折射率会发生变化，形成极为特殊的折
射率光栅。凭借这种光栅，晶体便成为神通广大的“齐天大圣”，向人们演示出种种不可
思议的奇妙现象:它可以在3立方厘米的体积中存储5 000幅不同时图像，并可以迅速显
示其中任意一幅;它可以把微弱的图像亮度增强1 000倍;它可以精密地探测出小得只有
10-米的距离改变;它可以使畸变得无法辨认的图像清晰如初;它可以滤去静止不变的图
像，专门跟踪刚发生的图像改变;它还可以模拟人脑的联想思维能力!因此，这种奇妙
的晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。日前，它已发展成一种新颖的功能晶体，
向人们展示着良好的应用前景。
此外，还有许多晶体，如电光晶体、热释电晶体、磁性晶体、超硬晶体等，它们在
不同的技术领域中也起着重要的作用。不过，值得一提的是，近年来，随着光子晶体和
纳米晶体的出现和发展，掀起了微观晶体的研究热潮，使人类认识达到了一个新的层次。
可以相信，不久的将来我们将拥有更多、更奇妙的晶体。
总之，晶体是一种美丽、奇妙而又十分重要的物质。它既具有特殊的结构，又有着
优异的性能。但是，迄今为止，人们对它的认识犹如冰山一角，还有许多未知领域等待
着我们去探索。
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