冰透鏡

李湘黔

STEM知識(shí)素養(yǎng)

一、人文知識(shí)

冰在陽光的照射下會(huì)融化，但冰透鏡對著太陽卻能聚光使艾絨著火。關(guān)于冰透鏡，早在我國西漢《淮南萬畢術(shù)》（約成書于公元前2世紀(jì)）中就有記載：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。”其后，西晉張華的《博物志》中也有類似記載。

清代科學(xué)家鄭復(fù)光根據(jù)《淮南萬畢術(shù)》的記載，曾親自動(dòng)手做了實(shí)驗(yàn)，證實(shí)冰透鏡可以取火。他在我國第一部較完整的光學(xué)專著《鏡鏡冷癡》中寫道：“將一只底部微凹的錫壺，內(nèi)裝沸水，用壺在冰面上旋轉(zhuǎn)，可制成光滑的冰透鏡，利用它聚集日光，可使紙點(diǎn)燃?！?/p>

2006年第四屆全國特殊奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)召開前，世界冬季特奧會(huì)速滑金牌獲得者王征與愛心大使——我國著名歌唱家李雙江在哈爾濱松花江北側(cè)的太陽島上共同手持取火棒，將取火棒對著用松花江里的冰塊制成的冰透鏡的焦點(diǎn)，成功采集了圣火。

二、科學(xué)知識(shí)

冰透鏡實(shí)際上相當(dāng)于光學(xué)元件中的凸透鏡（中間厚、邊緣薄）。凸透鏡可以使跟主光軸平行的光線聚集在主光軸上的一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是焦點(diǎn)（F）。焦點(diǎn)到凸透鏡的光心（0）的距離是焦距（f）。如圖所示，將太陽光視作一束平行光，經(jīng)過凸透鏡發(fā)生折射后，光線會(huì)聚到焦點(diǎn)處，形成光斑。光斑處溫度升高一段時(shí)間后，使易燃物達(dá)到燃點(diǎn)，從而燃燒。

STEM活動(dòng)實(shí)踐

二、創(chuàng)意實(shí)踐

利用冰透鏡使稻草燃燒

（一）材料

中間為凸透鏡形狀的模具（建議使用3D打印機(jī)制作）、清水、冰箱、蘸酒精的稻草。

（二）創(chuàng)意參考步驟

1.向模具中注滿水，置于冰箱中冷凍三小時(shí)后取出，拆開模具，得到一塊中間厚邊緣薄的冰透鏡。

2.天氣晴好的正午時(shí)分，利用冰透鏡在地面上找到光斑。將蘸酒精的稻草置于光斑處，靜置約兩分鐘后，稻草被點(diǎn)燃。

3.換用光學(xué)元件凸透鏡進(jìn)行取火，比較兩次稻草被點(diǎn)燃的快慢。初步討論焦點(diǎn)處溫度升高的影響因素。

二、創(chuàng)意改良

1.分別換用不同厚度、不同鏡面半徑的凸透鏡，測量凸透鏡到光斑的距離（即焦距）。通過實(shí)驗(yàn)探究焦距與凸透鏡的厚薄程度有何關(guān)系，并討論凸透鏡厚薄程度、鏡面半徑對取火快慢的影響。

2.冰透鏡作為取火器有何缺點(diǎn)？通過對光斑處溫度變化的測量，你能否設(shè)計(jì)出與之相同原理的新型取火器？

3.利用3D打印機(jī)制作中間薄、邊緣厚的凹面冰透鏡模具。以此制作的凹面冰透鏡能聚光取火嗎？請利用凹透鏡的光學(xué)原理進(jìn)行解釋。

三、創(chuàng)意挑戰(zhàn)

1.通過查閱資料，了解森林防火知識(shí)。自主組織一次塑料瓶回收的環(huán)保實(shí)踐活動(dòng)。

2.為什么烈日下放在陽臺(tái)上的魚缸有可能使窗簾著火？為什么烈日下洗車一定要擦干？能否嘗試用科學(xué)知識(shí)解釋這些現(xiàn)象？寫出你知道的其他與凸透鏡聚光有關(guān)的例子，并相互交流討論。

3.利用冰透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，探究學(xué)習(xí)凸透鏡的成像規(guī)律。

（編輯Seven）