雙變水透鏡的制作及其應(yīng)用

田防震

摘? ?要：筆者自制了低成本雙變水透鏡，能很好地演示凸透鏡和凹透鏡對(duì)光線的作用，以及演示人眼睛看近處、遠(yuǎn)處物體的原理，在演示近視眼、遠(yuǎn)視眼成因及矯正方面取得了非常好的演示效果，很好地解決了教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：低成本;自制;雙變水透鏡

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）8-0053-3

1? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)想

“照相機(jī)與眼睛視力的矯正”是人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)的重要一課，主要探究凸透鏡成像規(guī)律。一般而言，采用可變焦透鏡能有效提高教學(xué)效率，但這種透鏡較難制作，給教學(xué)帶來(lái)了不便。為此，利用日常用品制作一款“可變焦水透鏡”，可用于模擬人眼的調(diào)節(jié)，近視眼、遠(yuǎn)視眼的形成以及矯正等實(shí)驗(yàn)。

在教學(xué)的過(guò)程中，不少老師也做了各種各樣的嘗試，使用了各種方法制作水透鏡。

近兩年來(lái)經(jīng)過(guò)思考和多次嘗試，筆者確定了用水管做透鏡主體、用水管轉(zhuǎn)接頭作為固定環(huán)、用氫氣球（波波球）做透明膜的方案。介紹如下：

2? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方法及實(shí)驗(yàn)步驟

2.1? ? 水透鏡的制作

2.1.1? ? 制作材料

外徑63 mm的透明PVC管，內(nèi)徑63 mm的 PVC管轉(zhuǎn)接頭，如圖1所示。

高韌性、高透光性橡皮膜（用透明波波球替代），注射器一支，輸液管一段（帶有流速調(diào)節(jié)器），長(zhǎng)度40 mm的空?qǐng)A珠筆芯一段（粗細(xì)以保證輸液管緊套在上面為宜）。

2.1.2? ? 制作方法

（1）水透鏡鏡框的制作

材料準(zhǔn)備：

①用臺(tái)鋸截取2 cm長(zhǎng)、外徑63 mm的透明PVC管，并且用砂布將兩端毛刺打磨掉，在管壁上過(guò)直徑的兩個(gè)端點(diǎn)的位置用臺(tái)鉆打兩個(gè)大小合適的小孔，分別用來(lái)裝支架和注水管。作為水透鏡的容器。

②用臺(tái)鋸在內(nèi)徑63 mm的PVC管轉(zhuǎn)接頭上截取兩個(gè)長(zhǎng)度為5 mm的圓環(huán)，并且用砂布打磨掉兩端的毛刺，作為固定環(huán)，把透明膜固定在透明容器上。

③用剪刀在高透光性橡皮膜上剪出來(lái)兩個(gè)直徑為80 mm的圓。

④從實(shí)驗(yàn)室的透鏡上拆下來(lái)一個(gè)一端帶螺紋的金屬棒，作為水透鏡的支架。

⑤用剪刀截取長(zhǎng)度為2 cm左右的空?qǐng)A珠筆芯，作為水透鏡的注水管。

準(zhǔn)備好的材料如圖2所示。

水透鏡的組裝：

第一步：將注水管和支架分別裝到預(yù)留的小孔中。

第二步：將水透鏡的容器、透明膜、固定環(huán)自下而上按順序放好，均勻用力，輕輕按壓，透明膜就被牢牢地固定好，用同樣的方法固定另一側(cè)的透明膜。

安裝好的水透鏡如圖3所示。

第三步：將注射器用輸液管（帶有流速調(diào)節(jié)器）連接到注水孔（空?qǐng)A珠筆芯）上（如圖4）。

備注：在這個(gè)水透鏡的設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有設(shè)計(jì)排氣孔，而是通過(guò)注水孔完成排氣，注水保持注水孔在最上方，通過(guò)推注射器活塞向里面注水，向外拉注射器活塞抽出里面的空氣，往復(fù)幾次后，就可以將水透鏡注滿水并且排出里面的空氣。

2.2? ? 教學(xué)應(yīng)用

2.2.1? ? 介紹透鏡種類(lèi)

可以通過(guò)調(diào)節(jié)水透鏡內(nèi)部的水量來(lái)調(diào)節(jié)透鏡的凸凹，分別可以演示出凸透鏡、平透鏡以及凹透鏡。（如圖5）

2.2.2? ? 介紹眼睛看到不同距離物體的原理

方案一：F光源模擬物體，光屏模擬人的視網(wǎng)膜，水透鏡模擬人眼的晶狀體，保持光屏和水透鏡的距離不變（晶狀體到視網(wǎng)膜的距離不變），整個(gè)PVC框架結(jié)合水透鏡就成了眼球。此裝置固定在光具座上面，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置方便旋轉(zhuǎn)方向，使各個(gè)方向的學(xué)生均能夠看到成像情況。

方案二：用F光源模擬物體，水透鏡模擬晶狀體，磨砂玻璃模擬視網(wǎng)膜，透明球模擬人的眼球，并且用攝像頭將磨砂玻璃上所成的像投影到大屏幕電視上（若教室無(wú)攝像頭，亦可以用手機(jī)QQ與電腦QQ視頻通話），便于學(xué)生觀察成像情況。此裝置相對(duì)于方案一更加形象，學(xué)生看到之后容易聯(lián)想到眼球。而且可以同時(shí)看到教師的操作與磨砂玻璃上隨之變化的動(dòng)態(tài)情形，學(xué)生更加容易理解通過(guò)調(diào)節(jié)晶狀體的形狀可以使不同距離的物體都可以清晰地成像在視網(wǎng)膜上。（如圖6，左圖為原理圖，中圖為方案一圖，右圖為方案二圖）

（1）將物體（F）擺到較遠(yuǎn)位置，調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡里面的水量，使得光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像（如圖6）。

（2）移動(dòng)物體（F光源），使它靠近晶狀體水透鏡，同時(shí)緩慢地向晶狀體水透鏡里注水，使晶狀體水透鏡變厚對(duì)光的偏折能力變大，直到光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像（如圖7）。

（3）繼續(xù)移動(dòng)物體（F光源），使它靠近晶狀體水透鏡，同時(shí)繼續(xù)向晶狀體水透鏡里注水，使晶狀體水透鏡變得更厚，對(duì)光的偏折能力更大，直到光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像（如圖8）。

然后，讓物體（F光源）逐漸遠(yuǎn)離“人眼”，并且從晶狀體水透鏡向外抽水，使其變薄，對(duì)光的偏折能力變小，使物體成像在視網(wǎng)膜上。

通過(guò)以上物體靠近眼睛和遠(yuǎn)離眼睛的演示，完美地演示了正常人的眼睛是通過(guò)改變眼睛晶狀體的焦距，使人既可以看清遠(yuǎn)處的物體，又可以看清近處的物體。

2.2.3? ? 演示近視眼成因及其矯正

（1）將光屏調(diào)到中間卡位，并且調(diào)節(jié)F光源的位置，使其離水透鏡較遠(yuǎn)，同時(shí)調(diào)節(jié)水透鏡的厚度，直到光屏上出現(xiàn)F光源清晰的像，以此表示正常的眼睛。（方案一的操作）

用平行光源模擬遠(yuǎn)處的物體，調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡，使光會(huì)聚在光屏上，以此表示正常的眼睛。（方案二的操作）如圖9。

（2）將光屏向左移動(dòng)到最左側(cè)卡位，保持物距不變，此時(shí)相當(dāng)于眼球在前后方向太長(zhǎng)，光屏上出現(xiàn)模糊的光斑，而像處于光屏的前方，以此來(lái)模擬近視眼。（方案一的操作）

調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡使其變厚，折光能力變強(qiáng)，使光在光屏前就開(kāi)始會(huì)聚，以此來(lái)模擬近視眼。（方案二的操作）如圖10。

（3）在晶狀體水透鏡和F光源中間放入眼鏡水透鏡（初始狀態(tài)為平透鏡），并且逐漸從水透鏡內(nèi)抽水，直到光屏上出現(xiàn)清晰的像。以此來(lái)模擬用凹透鏡矯正近視眼。（方案一的操作）

在晶狀體水透鏡和平行光源之間放入眼鏡水透鏡（初始狀態(tài)為平透鏡），并且逐漸從眼鏡水透鏡內(nèi)向外抽水，直到光重新在視網(wǎng)膜光屏上會(huì)聚，以此來(lái)模擬用凹透鏡矯正近視眼。（方案二的操作）如圖11。

遠(yuǎn)視眼的矯正可以類(lèi)似處理，這里不再冗述。

3? ? 雙變水透鏡的優(yōu)點(diǎn)

3.1? ?雙變水透鏡，既可以做凹透鏡又可以做凸透鏡

由于材料的選擇和特殊的設(shè)計(jì)，筆者所制作的水透鏡既可以在平透鏡的基礎(chǔ)上注水作為凸透鏡使用，也可以從透鏡內(nèi)向外抽水，進(jìn)而把透鏡變成凹透鏡使用。

3.2? ? 透明度高，可長(zhǎng)時(shí)間使用及保存，可以和玻璃透鏡媲美

用氫氣球（高透明波波球）的球皮作為水透鏡的透明膜，效果極佳。既滿足了高透明性，又滿足了有一定的彈性但是彈性又不太強(qiáng)，并且有一定的韌性，濕水后也不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的物理化學(xué)性質(zhì)，透明度、彈性、韌性都不會(huì)受影響，一旦制作好后可以長(zhǎng)期保留，避免了每次使用時(shí)都要重新制作的尷尬情形。

3.3? ? 厚度合適，符合初中階段透鏡均比較薄的要求

根據(jù)初中物理教學(xué)中透鏡均為薄透鏡的要求，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定了厚度為1.5 cm作為透鏡的標(biāo)準(zhǔn)，這樣既能夠完成凸透鏡、凹透鏡的實(shí)驗(yàn)要求，又方便制作組裝。

3.4? ? 焦距可調(diào)

無(wú)論是作為凸透鏡，還是凹透鏡，水透鏡的焦距均可以自由調(diào)節(jié)，能夠完成教學(xué)的各種需要。

3.5? ? 密封性好，安裝簡(jiǎn)單

材料準(zhǔn)備好后，完成組裝只需要不超過(guò)10 s的時(shí)間，方便快捷，比其他設(shè)計(jì)要么用很多螺釘固定或者用橡皮筋固定，不但迅速快捷，并且解決了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中稍微注多一點(diǎn)水就出現(xiàn)漏水這一最大的問(wèn)題。徹底解決了水透鏡成為一次性教具這一尷尬的問(wèn)題，就算是不小心將透明膜碰破，更換也極為簡(jiǎn)單。

筆者利用這套裝置上校公開(kāi)課，取得了不錯(cuò)的效果，在2019年10月筆者參加“廣州市中學(xué)物理和小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作與創(chuàng)新技能競(jìng)賽”獲得了廣州市一等獎(jiǎng)，后來(lái)參加了省賽，在省賽中取得了省一等獎(jiǎng)和創(chuàng)新獎(jiǎng)（特等獎(jiǎng)）兩個(gè)大獎(jiǎng)。

（欄目編輯? ? 王柏廬）