“眼睛和眼鏡”演示儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐

姚棋苧 張華

摘? ?要：通過對(duì)“眼睛和眼鏡”的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)教材直接通過圖片展示近視眼和遠(yuǎn)視眼的成像特點(diǎn)及矯正方法，缺少具體的實(shí)驗(yàn)演示和詳細(xì)的理論解釋。由于近視眼、遠(yuǎn)視眼的成因和矯正比較抽象，導(dǎo)致學(xué)生理解存在一定的困難。主要介紹“眼睛和眼鏡”演示儀的設(shè)計(jì)和制作方法以及在教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用，利用自制教具可以全面探究眼睛成像原理及其矯正的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，有效突破教學(xué)重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：眼睛和眼鏡；實(shí)驗(yàn)教具；水透鏡；視力矯正

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）9-0077-4

收稿日期：2023-06-10

基金項(xiàng)目：重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度重點(diǎn)有經(jīng)費(fèi)課題“基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的初中物理Genius Hour學(xué)習(xí)策略研究”（2019-14-076）。

作者簡介：姚棋苧（1994-），男，中學(xué)二級(jí)教師，主要從事初中物理教學(xué)工作。

*通信作者：張華（1973-），女，中學(xué)高級(jí)教師，特級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理課程與教學(xué)、評(píng)價(jià)等研究。

“眼睛和眼鏡”是凸透鏡成像規(guī)律在日常生活中應(yīng)用的重要體現(xiàn)?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)本節(jié)課的要求是：了解人眼成像的原理，了解近視眼和遠(yuǎn)視眼的成因與矯正辦法［1］。這是本節(jié)課學(xué)生需要掌握的重難點(diǎn)，它屬于凸透鏡成像規(guī)律的拓展和延伸，是初中物理光學(xué)的重要應(yīng)用?，F(xiàn)行教材通過圖片展示給出近視眼和遠(yuǎn)視眼的定義及成像特點(diǎn)，對(duì)于近視眼和遠(yuǎn)視眼矯正的板塊，僅是簡略的理論分析，缺少完整、全面的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材的局限，教師大多采用講授法，然而初中學(xué)生空間思維能力有一定的局限性，難以理解眼睛成像原理及矯正等抽象的教學(xué)內(nèi)容［2］。課堂上部分教師采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示（圖1），實(shí)踐過程中也發(fā)現(xiàn)其存在諸多不足：（1）傳統(tǒng)水透鏡薄膜采用普通塑料制成，透光性差，對(duì)于光源的亮度有較高要求；薄膜彈性不足，當(dāng)用注射器注入較多水時(shí)，由于重力作用，形成一個(gè)上窄下寬的“水滴狀”透鏡，很難得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。（2）傳統(tǒng)水透鏡采用塑料材料制成，很難較長時(shí)間（3 min以上）保持凹凸?fàn)顟B(tài)，加大了實(shí)驗(yàn)難度；密封效果不佳，容易破裂漏水，無法正常實(shí)驗(yàn)。（3）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具尺寸較小，水透鏡的直徑一般在3 cm到5 cm 之間，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。（4）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具無法直接顯示光線傳播路徑的改變以及焦點(diǎn)前后移動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。

針對(duì)以上在教學(xué)中遇到的問題，把抽象的難以理解的物理問題轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗罂梢暬膶?shí)驗(yàn)演示，是本節(jié)課要突破的一個(gè)難點(diǎn)［3］。因此，制作一套能夠全面探究近視眼和遠(yuǎn)視眼成像特點(diǎn)及矯正方法的實(shí)驗(yàn)教具顯得非常必要。

1? ? 實(shí)驗(yàn)教具的制作方法

1.1? ? 制作材料及輔助工具

3D建模設(shè)計(jì)的透明亞克力圓盤三塊（亞克力材料表面平整，密封性很好），PVC圓形薄膜兩張（可用18寸圓形波波球代替），300毫升注射器（配1 m長塑料軟管），十字螺絲刀，M4*25扁平頭螺釘若干，2020鋁型材若干（配2020角件），厚0.5 cm透明亞克力板若干（根據(jù)器材大小定制），775直流小電機(jī)（12 V～24 V），電機(jī)支架，履帶，微型無動(dòng)力主軸，法蘭聯(lián)軸器4個(gè)，激光筆2根，空氣加濕器，凸透鏡、凹透鏡各1個(gè)，光具座，光屏，電腦或者iPad，Shapr3D軟件。

1.2? ? 制作方法

1.2.1? ? 利用Shapr3D制圖

利用Shapr3D軟件繪制出135 cm×30 cm×40 cm實(shí)驗(yàn)裝置的框架圖（圖2），用定制的2020鋁型材根據(jù)框架圖進(jìn)行組裝，框架在組裝的過程中要預(yù)留嵌入亞克力板的位置。

1.2.2? ? 水透鏡的制作

用Shapr3D設(shè)計(jì)出內(nèi)徑12 cm、外徑16 cm、厚度1 cm的圓盤3個(gè)（圖3），用3D打印技術(shù)制作亞克力圓盤，在每個(gè)圓盤上均勻打25個(gè)螺絲孔（直徑4 mm）。用剪刀將PVC膜剪成直徑約16 cm的圓形（直徑可以稍微大一點(diǎn)，直徑偏小會(huì)導(dǎo)致漏水現(xiàn)象的發(fā)生），將剪好的兩層PVC膜分別夾在3個(gè)圓盤之間，用力壓緊，用電鉆在螺絲孔位置將PVC膜鉆一樣大小的25個(gè)孔（確保螺釘能夠插入螺孔，保證水透鏡的密封性），用M4*25扁平頭螺釘將三塊圓盤和兩層PVC膜進(jìn)行固定，用剪刀把水透鏡邊緣多余的PVC膜清除。把注射器中的水注入腔體內(nèi)，待腔體內(nèi)的空氣被完全擠出，將注射器和水透鏡用塑料軟管連接，制成一個(gè)完整的水透鏡（圖4）［4］。

1.2.3? ? 平行光源和立體光源的制作

光源分為平行光源和立體光源兩種形式，如圖5所示。將兩只激光筆用帶孔的亞克力板固定（根據(jù)激光筆的直徑打孔），打開加濕器和激光筆按鈕，形成平行光源，如圖6所示。用法蘭聯(lián)軸器將平行光源固定在微型無動(dòng)力主軸上，通過履帶連接小電機(jī)和微型無動(dòng)力主軸，打開加濕器和激光筆按鈕，閉合小電機(jī)開關(guān)，電機(jī)帶動(dòng)光源轉(zhuǎn)動(dòng)形成立體光源［5］，如圖7所示。

1.2.4? ? 組裝元件

依次將電動(dòng)機(jī)、微型無動(dòng)力主軸、光源固定在鋁型材的后部空間，在光具座上安裝好光屏和水透鏡，放入實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)部。將加濕器放在裝置內(nèi)部，實(shí)驗(yàn)的過程中一直保持噴霧狀態(tài)，方便實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。厚度0.5 cm亞克力板鑲嵌在鋁型材的相應(yīng)位置，組裝成135 cm×30 cm×40 cm長方體密封空箱，“眼睛和眼鏡”演示儀完成組裝，如圖8所示。

2? ? 實(shí)驗(yàn)過程

2.1? ? 正常人眼的成像

2.1.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）調(diào)節(jié)平行激光光源（成像物體）、水透鏡（人眼晶狀體）、光屏（人眼視網(wǎng)膜）的高度，使它們的中心在同一水平高度（即水透鏡的主光軸上）。（2）閉合激光光源開關(guān)，打開加濕器，使密閉箱內(nèi)充滿水霧（增強(qiáng)光路的可視化），激光光源位置保持不變，移動(dòng)水透鏡，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（3）用注射器注水或抽水，調(diào)節(jié)水透鏡的突起程度，直至經(jīng)過水透鏡的平行光束剛好會(huì)聚在光屏上，關(guān)閉注射器塑料管閥門（防止水透鏡中的水流回注射器），記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（4）閉合12 V電動(dòng)機(jī)開關(guān)，電機(jī)帶動(dòng)平行光源轉(zhuǎn)動(dòng)形成立體光柱，用注射器調(diào)整水透鏡的突起程度，直到立體光柱經(jīng)過水透鏡折射剛好會(huì)聚在光屏上，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.1.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

平行光源模擬正常人眼觀察物體（圖9），平行激光束經(jīng)過水透鏡會(huì)聚在光屏上，光屏上出現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)（即焦點(diǎn)）。立體光源模擬正常人眼觀察物體（圖10），立體光柱經(jīng)過水透鏡折射會(huì)聚在光屏上，光屏上出現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)（即焦點(diǎn)）。

2.1.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

平行激光束或立體光柱經(jīng)過水透鏡折射會(huì)聚在光屏上（即人眼視網(wǎng)膜的位置），到達(dá)視網(wǎng)膜上是一個(gè)點(diǎn)，表示正常人眼看清物體。

2.2? ? 探究近視眼的成像規(guī)律

2.2.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）保持水透鏡（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不變，調(diào)整光屏位置，使得平行激光束剛好會(huì)聚在光屏上，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（2）打開注射器塑料管閥門，推動(dòng)注射器向水透鏡中注入水（注水量80 mL～120 mL），水透鏡的凸起程度逐漸變大。（3）激光束會(huì)聚點(diǎn)移到光屏前方適當(dāng)位置（會(huì)聚點(diǎn)距光屏3 cm～5 cm即可），停止注水，關(guān)閉注射器塑料管閥門。（4）向靠近水透鏡的方向移動(dòng)光屏，直到平行激光束會(huì)聚點(diǎn)重新到光屏上［6］，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

模擬近視眼觀察物體，如圖11所示。隨著注水量增加，水透鏡的凸起程度變大，聚光能力逐漸變強(qiáng)，平行激光束會(huì)聚點(diǎn)前移，光線到達(dá)人眼視網(wǎng)膜上是一塊模糊的光斑，看不清物體。光屏靠近水透鏡，平行激光束可以重新會(huì)聚在光屏上，說明近視眼的焦距變短。

2.2.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

人眼晶狀體凸起程度變大，會(huì)聚能力變強(qiáng)，眼睛的焦距變短，光經(jīng)過較厚的晶狀體會(huì)聚在視網(wǎng)膜的前方，視網(wǎng)膜上得不到清晰的像，這便是近視眼形成的原因。

2.3? ? 探究近視眼矯正的成像規(guī)律

2.3.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

重復(fù)2.2.1實(shí)驗(yàn)步驟（1）（2）（3），然后進(jìn)行如下操作：（4）推開后方的亞克力板，將凹透鏡置于水透鏡和平行光源之間。（5）前后移動(dòng)凹透鏡的位置，直到激光束會(huì)聚點(diǎn)重新回到光屏上，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.3.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

模擬近視眼的矯正，如圖12所示。隨著注水量增加，水透鏡的凸起程度變大，聚光能力逐漸變強(qiáng)，平行激光束會(huì)聚點(diǎn)前移，在水透鏡和平行光源之間的合適位置放入凹透鏡，讓平行激光束發(fā)散，使原來會(huì)聚在光屏前方的點(diǎn)后移到光屏上。

2.3.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

晶狀體較厚導(dǎo)致光線會(huì)聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜的前方，到達(dá)視網(wǎng)膜上變成了模糊的光斑，需要合適焦距的凹透鏡將光線發(fā)散，經(jīng)過調(diào)整使光線重新會(huì)聚于視網(wǎng)膜，所以人眼近視需戴焦距合適的凹透鏡進(jìn)行矯正。

2.4? ? 探究遠(yuǎn)視眼的成像規(guī)律

2.4.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）保持水透鏡（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不變，調(diào)整光屏位置，使得平行激光束剛好會(huì)聚在光屏上，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（2）打開注射器塑料管閥門，拉動(dòng)注射器從水透鏡中抽出水（抽水量80 mL～120 mL），水透鏡的凸起程度逐漸變小。（3）激光束會(huì)聚點(diǎn)移到光屏后方適當(dāng)位置，停止抽水，關(guān)閉注射器塑料管閥門。（4）向遠(yuǎn)離水透鏡的方向移動(dòng)光屏，直到平行激光束會(huì)聚點(diǎn)重新到光屏上。

2.4.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

模擬遠(yuǎn)視眼觀察物體，如圖13所示。隨著抽水量增加，水透鏡的凸起程度變小，聚光能力逐漸變?nèi)?，平行激光束?huì)聚點(diǎn)后移，光線到達(dá)人眼視網(wǎng)膜上是一塊模糊的光斑，看不清物體。光屏遠(yuǎn)離水透鏡，平行激光束可以重新會(huì)聚在光屏上，說明遠(yuǎn)視眼的焦距變長。

2.4.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

人眼晶狀體凸起程度變小，會(huì)聚能力變?nèi)酰劬Φ慕咕嘧冮L，光經(jīng)過較薄的晶狀體會(huì)聚在視網(wǎng)膜的后方，視網(wǎng)膜上得不到清晰的像，這便是遠(yuǎn)視眼形成的原因。

2.5? ? 探究遠(yuǎn)視眼矯正的成像規(guī)律

2.5.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

重復(fù)2.4.1實(shí)驗(yàn)步驟（1）（2）（3），然后進(jìn)行如下操作：（4）推開后方的亞克力板，將凸透鏡置于水透鏡和平行光源之間。（5）前后移動(dòng)凸透鏡的位置，直到凸透鏡將激光束進(jìn)行調(diào)整使會(huì)聚點(diǎn)重新回到光屏上，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.5.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

模擬遠(yuǎn)視眼的矯正，如圖14所示。隨著抽水量增加，水透鏡的凸起程度變小，聚光能力逐漸變?nèi)?，平行激光束?huì)聚點(diǎn)后移，在水透鏡和平行光源之間的合適位置放入凸透鏡，讓平行激光束會(huì)聚，使原來會(huì)聚在光屏后方的點(diǎn)前移到光屏上。

2.5.3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

晶狀體較薄導(dǎo)致光線會(huì)聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜的后方，到達(dá)視網(wǎng)膜上變成了模糊的光斑，需要焦距合適的凸透鏡將光線會(huì)聚，經(jīng)過調(diào)整使光線重新會(huì)聚于視網(wǎng)膜上，所以人眼遠(yuǎn)視需戴焦距合適的凸透鏡進(jìn)行矯正。

3? ? 結(jié)束語

通過自制的“眼睛和眼鏡”演示儀可以全面、可視化地完成眼睛成像原理及其矯正的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)探究，很好地突破了教學(xué)中的重難點(diǎn)。“眼睛和眼鏡”演示儀具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）水透鏡模型采用亞克力材料，表面平整、光滑，具有很好的密封性，可長時(shí)間使用，避免了普通水透鏡容易漏水的缺點(diǎn)。（2）水透鏡薄膜采用PVC膜，透光性好，經(jīng)過水透鏡折射的光路依舊清晰可見，實(shí)驗(yàn)效果較普通塑料薄膜更為明顯；PVC膜韌性強(qiáng)、張力較大，能夠最大程度地減小液體自重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，可以長時(shí)間保持凹、凸?fàn)顟B(tài)，確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。（3）立體光柱的設(shè)計(jì)把實(shí)驗(yàn)探究從二維平面上升到三維空間，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)探究的真實(shí)性、準(zhǔn)確性，避免了學(xué)生認(rèn)為眼睛成像只存在于二維平面的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。（4）在加濕器噴霧的作用下，采用激光筆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，光線傳播路徑的變化和焦點(diǎn)的移動(dòng)都變得可視化，便于學(xué)生觀察眼睛成像規(guī)律以及矯正的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，“眼睛和眼鏡”演示儀很好地利用實(shí)驗(yàn)手段將抽象的物理問題變得可視化，學(xué)生通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)并理解物理知識(shí)，有效地突破了其空間想象和思維的障礙，促進(jìn)了其科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的 發(fā)展［7］。

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