“眼睛與眼鏡”演示儀的設(shè)計(jì)與制作

毛銀芹 馮 潔 李紅梅 賈 闖 龐運(yùn)超

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

“眼睛與眼鏡”這節(jié)內(nèi)容不僅是凸透鏡成像規(guī)律的拓展,更是初中光學(xué)知識(shí)的重要應(yīng)用,在初中光學(xué)教學(xué)中占有重要地位．[1]曲光不正的成因及矯正方法是本節(jié)的重點(diǎn)及難點(diǎn),單靠教師講解或簡單實(shí)驗(yàn)演示是不足以幫助學(xué)生掌握重點(diǎn)并突破難點(diǎn)的,[2]然而在實(shí)際的課堂教學(xué)中,受實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材的限制,實(shí)驗(yàn)過程“以講代做”的現(xiàn)象難免使學(xué)生對知識(shí)產(chǎn)生“隔靴搔癢”的窘迫體驗(yàn)．與此同時(shí),如何把物理知識(shí)與生活體驗(yàn)巧妙結(jié)合,亦是助推學(xué)生主動(dòng)參與課堂、投入探究的要點(diǎn)．

基于此,文章在國內(nèi)學(xué)者對“可變焦水透鏡”[3]的研究成果上,設(shè)計(jì)“模擬眼球成像光路”和“大腦反應(yīng)圖像電路”,自制了“眼睛與眼鏡”演示儀．該實(shí)驗(yàn)教具能模擬眼睛成像及視力矯正,使用光感元件來模擬視網(wǎng)膜上的細(xì)胞組織接收光信號(hào),電路部分模擬視神經(jīng),將視網(wǎng)膜上所成的像傳遞到大腦,大腦對成像信息進(jìn)行處理,反映出物像的過程．該教具可以直觀地顯現(xiàn)出光路并且形象地模擬出大腦反應(yīng)物像的原理,讓學(xué)生更容易理解本節(jié)教學(xué)內(nèi)容．

1 演示儀的設(shè)計(jì)與制作

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

JD850綠光激光手電2個(gè)、長度15 cm磁吸式柱狀凸透鏡和凹透鏡各1個(gè)、直徑75 mm PVC直管和卡子各1個(gè)、200 ml注射器1支、輸液管1根、氫氣球若干、感光元件3個(gè)、USBled藍(lán)色和紅色燈帶各1條、導(dǎo)線和雙面膠若干,模糊田野圖片和清晰田野圖片各一張、納米噴霧補(bǔ)水儀1個(gè)、釘子和鐵皮若干,軟木板和白色塑料泡沫若干備用．

1.2 水透鏡的制作

圖1 水透鏡實(shí)物圖

用鋼鋸把直徑為75 mm的PVC直接管鋸成與直徑為75 mm帶釘卡子的PVC水管相同寬度,用砂紙打磨其切面,然后用電鉆在PVC直接管和帶釘卡子的PVC水管相應(yīng)位置鉆一樣大的孔,鉆好孔之后用氫氣球包裹住PVC直接管(先用雙面膠在PVC管上粘一圈,氫氣球包裹住之后再在外圍用透明膠帶圍繞著PVC管上粘一圈.這樣可以很好地保證水透鏡的密封性),把帶釘卡子的PVC水管固定在被氫氣球包裹住的PVC直接管外圍,然后把輸液管插入PVC管上的鉆孔,用熱熔膠封口．再把注射器與輸液管連接,一個(gè)完整的水透鏡就做好了，如圖1所示.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

“眼鏡與眼鏡”演示儀設(shè)計(jì)圖如圖2所示,由兩部分構(gòu)成:模擬眼球成像光路A、模擬大腦反應(yīng)圖像電路B．其中,模擬眼球成像光路系統(tǒng)如圖3所示,自制可變焦水透鏡通過一段輸液管與注射器相連,水透鏡的左側(cè)是激光手電所模擬的物光源及鐵質(zhì)透鏡臺(tái),鐵質(zhì)透鏡臺(tái)用以放置磁吸式柱狀透鏡;水透鏡右側(cè)是用塑料泡沫制作的模擬視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu),生煙盒置于水透鏡和模擬視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)之間．

圖2 “眼睛與眼鏡”演示儀設(shè)計(jì)圖

圖3 模擬眼球成像光路圖

模擬大腦反應(yīng)圖像電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,模擬視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上適宜位置嵌有3個(gè)感光元件,感光元件通過導(dǎo)線與電箱相連．電箱內(nèi)的電路圖如圖5所示,R1、R2、R3分別對應(yīng)圖4中的3個(gè)感光元件,R1和R3并聯(lián),再和L1串聯(lián);R2和L2串聯(lián),再和R1、R3整體并聯(lián)．L1為紅色燈帶,L2為藍(lán)色燈帶．

圖4 模擬大腦反應(yīng)圖像電路

根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作出的實(shí)物圖如圖6所示,在模擬眼球成像光路這一結(jié)構(gòu)外圍用軟木板制成密閉暗箱并制作暗箱門．暗箱右側(cè)紅色燈帶L1下方粘貼有模糊的田野圖,藍(lán)色燈帶L2下方粘貼有清晰的田野圖,兩條燈帶均繞制在對應(yīng)田野圖4條邊的外圍．

圖6 “眼睛與眼鏡”演示儀實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)操作與演示

打開暗箱門,點(diǎn)燃生煙盒中的煙香或使用噴霧器,在暗箱中開啟激光源筆,合上暗箱門,開啟電源．

2.1 模擬眼球成像的3種情況

(1) 正常眼成像.

如圖7(a)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調(diào)節(jié)透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線恰好匯聚在視網(wǎng)膜上,即光線匯聚于光敏元件R2上．此時(shí)R1和R3無光線照射,所在支路斷路,故L2藍(lán)燈亮起,L1不發(fā)光．L2燈帶對應(yīng)清晰的田野圖,表示人眼看到清晰的圖像．

(2) 近視眼成像.

如圖7(b)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調(diào)節(jié)透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線匯聚在視網(wǎng)膜前方,光線通過匯聚點(diǎn)后繼續(xù)向后傳播,分別照射在R1和R3上．此時(shí)光敏元件R2上無光線照射,所在支路斷路,故L1紅燈亮起,L2不發(fā)光．燈帶L1對應(yīng)模糊的田野圖,表示人眼看到模糊的圖像．

圖7 眼睛成像演示的3種情況

(3) 遠(yuǎn)視眼成像.

如圖7(c)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調(diào)節(jié)透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線在視網(wǎng)膜前和視網(wǎng)膜上無匯聚點(diǎn),兩條光線分別照射在R1和R3上．此時(shí)光敏元件R2上無光線照射,所在支路斷路,故L1紅燈亮起,L2不發(fā)光．L1燈帶對應(yīng)模糊的田野圖,表示人眼看到模糊的圖像．

整個(gè)過程的展示是為了跟學(xué)生說明當(dāng)外界物體發(fā)出的光線(或者反射的光線)最終會(huì)聚在視網(wǎng)膜上時(shí),我們就能看到一個(gè)清楚的像;如果外界物體發(fā)出的光線(或者反射的光線)聚焦在視網(wǎng)膜前或視網(wǎng)膜后,那么我們將看到一個(gè)模糊的像．

2.2 近視眼和遠(yuǎn)視眼矯正演示

(1) 近視眼矯正.

近視眼即圖7(b)所示情況,成像在視網(wǎng)膜前．矯正近視眼時(shí),把磁吸式凹透鏡放在水透鏡和光源之間的某一個(gè)位置(靠近水透鏡),利用凹透鏡調(diào)節(jié)光線讓其匯聚到視網(wǎng)膜上,電路部分藍(lán)燈亮,可以看到清晰的物體,如圖8所示情況．

圖8 近視眼矯正

(2) 遠(yuǎn)視眼矯正.

遠(yuǎn)視眼即圖7(c)所示情況,成像在視網(wǎng)膜后．矯正遠(yuǎn)視眼時(shí),把磁吸式凸透鏡放在水透鏡和光源之間的某一個(gè)位置(靠近水透鏡),利用凸透鏡調(diào)節(jié)光線讓其匯聚到視網(wǎng)膜上,電路部分藍(lán)燈亮,可以看到清晰的物體,如圖9所示情況．

圖9 遠(yuǎn)視眼矯正

3 總結(jié)

由于光源、水透鏡和視網(wǎng)膜所在的位置不能靈活地移動(dòng),為了能達(dá)到最佳的效果,教師在演示之前,應(yīng)通過調(diào)試事先調(diào)節(jié)好透鏡的焦距．該演示儀的設(shè)計(jì),可以增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的可見度,清晰地給學(xué)生模擬眼睛成像的光路圖和大腦反應(yīng)物像信息的過程,實(shí)驗(yàn)的演示不僅能給學(xué)生提供對所研究物理現(xiàn)象的感性材料,培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力,而且還可以使學(xué)生獲得一定的實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?有利于打造高效的物理課堂．