水透鏡的制作改進(jìn)及應(yīng)用

王賀

摘要：水透鏡最早源于教學(xué)中對(duì)可變焦透鏡成像研究的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在前人的基礎(chǔ)上，水透鏡的制作在不斷的進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方向主要是成像更為清晰，范圍更大，操作簡(jiǎn)便，通過(guò)減少了一些材料的配套要求和制作工藝要求，可以隨時(shí)制作，長(zhǎng)期保存。水透鏡在現(xiàn)代課堂上可以很好地演示凸、凹透鏡對(duì)光線的作用、演示正常人眼看清遠(yuǎn)處、近處物體的原理、演示近視眼、遠(yuǎn)視眼成因及矯正，除演示之外可以進(jìn)行學(xué)生小組合作?？梢匝诱勾笸哥R的制作，在解決教學(xué)難點(diǎn)的同時(shí)也可以進(jìn)行校本開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生參與到自制實(shí)驗(yàn)儀器的過(guò)程中來(lái)。

關(guān)鍵詞：改進(jìn);自制;水透鏡

一、教具的教學(xué)意義和價(jià)值

本教具的改進(jìn)源于2017年市級(jí)賽課選拔，對(duì)應(yīng)內(nèi)容為初二物理2011人教版物理八年級(jí)（下）教材，第五章第四節(jié)內(nèi)容《眼睛與眼鏡》一課的學(xué)習(xí)，按教材要求，首先要讓學(xué)生知道人的正常眼睛是可以自主改變晶狀體的厚薄，從而改變焦距來(lái)看清遠(yuǎn)處和近處的物體。當(dāng)人眼睛有疾病時(shí)看不清物體，需要佩戴不同的透鏡再次看清物體。即近視眼和遠(yuǎn)視眼的矯正。[1]在教學(xué)過(guò)程中為了解決這個(gè)難點(diǎn)，有很多前輩制作、改進(jìn)水透鏡，并發(fā)表論文共享研究成果，水透鏡的特點(diǎn)是用于可視性焦距連續(xù)變化。但之前的目標(biāo)都是為了教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)象直觀性。[2]在嘗試制做曾經(jīng)的水透鏡教具過(guò)程中，我遇到了很多困難，于是想盡辦法去簡(jiǎn)化，并在三天內(nèi)完成了一個(gè)展示大儀器和12個(gè)小儀器的制做，成功實(shí)現(xiàn)小組實(shí)驗(yàn)。課后經(jīng)教研員反復(fù)提問(wèn)，我發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)儀器的不足之處，又再次改進(jìn)。下面就是2019年完成的最新作品的改進(jìn)成果。我的作品主要是解決水透鏡的實(shí)際制作與應(yīng)用的問(wèn)題，讓這個(gè)儀器不僅僅是能演示，而是能小組使用，在縮短制作時(shí)間的同時(shí)還能長(zhǎng)期保存。

二、教具裝置圖（圖1）

如圖，外殼選用的是學(xué)生配套儀器中的凸透鏡儀器外殼，塑料材質(zhì)，厚薄合適，便于改進(jìn)，并且有現(xiàn)成的金屬柄，做好的水透鏡就能與普通玻璃透鏡一樣，在光具座上使用。整個(gè)裝置小巧簡(jiǎn)單，學(xué)生易操作。

三、儀器改進(jìn)與創(chuàng)新

1.改進(jìn)方向：本教具在制作中需要注意三大問(wèn)題，一是透光度和彈性，二是對(duì)液體的密封性，三是能解決長(zhǎng)期保存的問(wèn)題。

2.創(chuàng)新：

（1）用高透光PVC薄膜代替薄橡膠膜。優(yōu)勢(shì)一：高透光度。優(yōu)勢(shì)二：彈性與拉伸性都比原來(lái)的橡膠薄膜要更好，在制作教師演示水透鏡時(shí)，由于透鏡較大，注水量大，橡膠薄膜太軟，禁不住水的重力，從而影響到透鏡光心的向下偏移，出現(xiàn)因光心偏移的重像情況。而改用PVC薄膜后，這個(gè)問(wèn)題就被很好的解決。

（2）用502膠水直接粘合。以前的水透鏡都是用一些其它材料的殼去壓住橡膠薄膜，從而達(dá)到密封的目的，但是這些“外殼”的制作要求很高，比如說(shuō)直徑大小與要內(nèi)殼貼合，還要有很好的密封性，即使做好成套的，也不能隨時(shí)更改鏡面直徑大小。經(jīng)過(guò)多次選擇與嘗試，選出502膠水實(shí)現(xiàn)PVC薄膜與塑料外殼之接粘合。 粘合面至少3mm寬，所選的外框滿(mǎn)足條件，粘合后對(duì)水的密封性能較好，即使因?yàn)槭稚脑?，?dǎo)致有個(gè)別點(diǎn)滲水也可以及時(shí)補(bǔ)救。粘合好的作品密封性很好，能支撐一定范圍的擴(kuò)張。而對(duì)多余出來(lái)的PVC薄膜可以進(jìn)行剪裁，使其看著更加美觀

（3）入水口選擇墨瓶蓋帽膠塞，手動(dòng)開(kāi)口比膠塞略小，這樣橡膠塞靠自身彈性充滿(mǎn)開(kāi)口，幾乎不會(huì)滲水，而且?guī)w帽可以方便封閉。市面上的膠塞有很多種，而連供系統(tǒng)的這種膠塞有一個(gè)特點(diǎn)，下面口非常細(xì)小，上面口寬，這樣即使沒(méi)有蓋帽，里面水壓不是很大的情況下，水是不容易灑出來(lái)的，制作和使用過(guò)程中提供了便利。

（4）連供管線的接頭加上一個(gè)氣孔塞可以直接與蓋帽膠塞貼合，方便注水，不用擔(dān)心流水時(shí)反向漏水。

四、制作材料

透鏡原教學(xué)器材外邊圓框、高透高彈PVC塑料薄膜、連供管線（帶接頭、帶氣孔塞，帶墨瓶塞）、止水夾、注射器（20ml）、502膠水、塑料小水槽

五、制作方法

1.在外框頂部手鉆打注水孔，有條件的話(huà)拿外框的手戴上手套，以防手鉆脫手受傷（或者用細(xì)頭的電鉻鐵也可以打孔，但塑料熔化速度太快且不好控制，一定要把握好時(shí)間并注意安全），注水孔直徑略小于蓋帽膠塞。

2.將外框里外仔細(xì)擦干凈凈，把高透PVC薄膜按照外框直徑略大1cm大小，剪裁兩個(gè)一樣大小，也將膜的里外仔細(xì)擦干凈，并檢查是否有破損處。

在外框邊緣快速涂抹502膠，注意要涂滿(mǎn)不要有空隙，在20秒內(nèi)將一張薄膜對(duì)正外框邊緣并快速用手輕按一圈，仔細(xì)觀察膜與框之間的粘合程度，發(fā)現(xiàn)有疏漏處及時(shí)推磨，小心按壓10秒左右，直到完全粘合好。另一面用同樣的方法進(jìn)行粘合。粘合好的面會(huì)看到有微小的褶皺，摸上去手感偏硬。

兩面粘好后不要急著修剪邊緣，先將管線的接頭與注射器連接好，然后在不加膠塞的情況下向里注水，用手按住注水口，試一下密封性能，如果發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)，及時(shí)用面巾紙吸干漏水點(diǎn)處的水，用502進(jìn)行補(bǔ)救。沒(méi)有漏水點(diǎn)后，加上膠塞，接好管線和止水夾，進(jìn)行注水。在注水過(guò)程中要注意往外抽氣，盡量排凈氣泡，有很小的氣泡在頂部對(duì)成像影響不大。這樣一個(gè)水透鏡就做好了。

六、使用方法

1.注水：膜向外鼓起，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)處時(shí)，用止水夾夾住，水不會(huì)因壓強(qiáng)原因回流。

抽水：膜向內(nèi)收縮，但還是維持兩面球面的性能，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)處時(shí)，用止水夾夾住。

2.上光具座，先調(diào)出一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?，作為正常的人眼。物距選擇比較中間的一個(gè)位置，找到一個(gè)清晰的像，此時(shí)光屏與透鏡間距離記下并固定，做為眼軸長(zhǎng)度。增大物距，發(fā)現(xiàn)像變模糊，此時(shí)不移動(dòng)光屏，而是抽取水透鏡中的水，使其變薄，焦距變大，會(huì)觀察到光屏上再次呈現(xiàn)清晰的像，這就演示出正常人眼通過(guò)自動(dòng)變焦看清遠(yuǎn)處物體的基本原理。同理，該裝置可以演示人眼看清近物體的原理。

3.在演示近視眼與遠(yuǎn)視眼的矯正過(guò)程中，通過(guò)注水增厚，抽水變薄，分別模擬近視眼與遠(yuǎn)視眼。

七、課上效果

學(xué)生通過(guò)觀察教師演示現(xiàn)象，再加上小組合作操作，很容易就理解了正常人眼的自主變焦原理。再通過(guò)模擬近視眼與遠(yuǎn)視眼，結(jié)合上節(jié)課學(xué)的知識(shí)，能夠分析出不正常眼睛所成像位置與視網(wǎng)膜位置關(guān)系，從而順利的找到矯正的透鏡。

從現(xiàn)象來(lái)看：成像非常清晰，得益于高透光度

從制作上看：材料好準(zhǔn)備，制作時(shí)間短，可大量制作，學(xué)生可以進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)，并能夠長(zhǎng)期保存。

八、實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展

如果只是為這節(jié)課去設(shè)計(jì)水透鏡，那它的意義僅在于提高教學(xué)效率與質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生興趣，便于學(xué)生理解。目前已經(jīng)嘗試把該儀器擴(kuò)展到校本課上，讓學(xué)生動(dòng)手去制作一個(gè)水透鏡，這樣既能從仿生的角度以及結(jié)構(gòu)上更深入了解透鏡的知識(shí)及模擬人眼的功能，又能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，將復(fù)雜實(shí)驗(yàn)盡可能變的簡(jiǎn)單、可操作，可以實(shí)現(xiàn)國(guó)家對(duì)物理學(xué)科學(xué)生素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪海.孫新.教師教學(xué)用書(shū)物理八年級(jí)（上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2016：10-2.

[2]余玲. 模擬眼睛成像實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2006， 016（003）：14-14.D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04