双变水透镜的制作及其应用

    田防震

    

    

    

    摘? ?要：笔者自制了低成本双变水透镜，能很好地演示凸透镜和凹透镜对光线的作用，以及演示人眼睛看近处、远处物体的原理，在演示近视眼、远视眼成因及矫正方面取得了非常好的演示效果，很好地解决了教学难点。

    关键词：低成本;自制;双变水透镜

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）8-0053-3

    1? ? 实验改进设想

    “照相机与眼睛视力的矫正”是人教版初中物理八年级上册的重要一课，主要探究凸透镜成像规律。一般而言，采用可变焦透镜能有效提高教学效率，但这种透镜较难制作，给教学带来了不便。为此，利用日常用品制作一款“可变焦水透镜”，可用于模拟人眼的调节，近视眼、远视眼的形成以及矫正等实验。

    在教学的过程中，不少老师也做了各种各样的尝试，使用了各种方法制作水透镜。

    近两年来经过思考和多次尝试，笔者确定了用水管做透镜主体、用水管转接头作为固定环、用氢气球（波波球）做透明膜的方案。介绍如下：

    2? ? 实验改进的方法及实验步骤

    2.1? ? 水透镜的制作

    2.1.1? ? 制作材料

    外径63 mm的透明PVC管，内径63 mm的 PVC管转接头，如图1所示。

    高韧性、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（带有流速调节器），长度40 mm的空圆珠笔芯一段（粗细以保证输液管紧套在上面为宜）。

    2.1.2? ? 制作方法

    （1）水透镜镜框的制作

    材料准备：

    ①用台锯截取2 cm长、外径63 mm的透明PVC管，并且用砂布将两端毛刺打磨掉，在管壁上过直径的两个端点的位置用台钻打两个大小合适的小孔，分别用来装支架和注水管。作为水透镜的容器。

    ②用台锯在内径63 mm的PVC管转接头上截取两个长度为5 mm的圆环，并且用砂布打磨掉两端的毛刺，作为固定环，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来两个直径为80 mm的圆。

    ④从实验室的透镜上拆下来一个一端带螺纹的金属棒，作为水透镜的支架。

    ⑤用剪刀截取长度为2 cm左右的空圆珠笔芯，作为水透镜的注水管。

    准备好的材料如图2所示。

    水透镜的组装：

    第一步：将注水管和支架分别装到预留的小孔中。

    第二步：将水透镜的容器、透明膜、固定环自下而上按顺序放好，均匀用力，轻轻按压，透明膜就被牢牢地固定好，用同样的方法固定另一侧的透明膜。

    安装好的水透镜如图3所示。

    第三步：将注射器用输液管（带有流速调节器）连接到注水孔（空圆珠笔芯）上（如图4）。

    备注：在这个水透镜的设计中，并没有设计排气孔，而是通过注水孔完成排气，注水保持注水孔在最上方，通过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气，往复几次后，就可以将水透镜注满水并且排出里面的空气。

    2.2? ? 教学应用

    2.2.1? ? 介绍透镜种类

    可以通过调节水透镜内部的水量来调节透镜的凸凹，分别可以演示出凸透镜、平透镜以及凹透镜。（如图5）

    2.2.2? ? 介绍眼睛看到不同距离物体的原理

    方案一：F光源模拟物体，光屏模拟人的视网膜，水透镜模拟人眼的晶状体，保持光屏和水透镜的距离不变（晶状体到视网膜的距离不变），整个PVC框架结合水透镜就成了眼球。此装置固定在光具座上面，整个实验装置方便旋转方向，使各个方向的学生均能够看到成像情况。

    方案二：用F光源模拟物体，水透镜模拟晶状体，磨砂玻璃模拟视网膜，透明球模拟人的眼球，并且用摄像头将磨砂玻璃上所成的像投影到大屏幕电视上（若教室无摄像头，亦可以用手机QQ与电脑QQ视频通话），便于学生观察成像情况。此装置相对于方案一更加形象，学生看到之后容易联想到眼球。而且可以同时看到教师的操作与磨砂玻璃上随之变化的动态情形，学生更加容易理解通过调节晶状体的形状可以使不同距离的物体都可以清晰地成像在视网膜上。（如图6，左图为原理图，中图为方案一图，右图为方案二图）

    （1）将物体（F）摆到较远位置，调节晶状体水透镜里面的水量，使得光屏上出现一个清晰的像（如图6）。

    （2）移动物体（F光源），使它靠近晶状体水透镜，同时缓慢地向晶状体水透镜里注水，使晶状体水透镜变厚对光的偏折能力变大，直到光屏上出现一个清晰的像（如图7）。

    （3）继续移动物体（F光源），使它靠近晶状体水透镜，同时继续向晶状体水透镜里注水，使晶状体水透镜变得更厚，对光的偏折能力更大，直到光屏上出现一个清晰的像（如图8）。

    然后，让物体（F光源）逐渐远离“人眼”，并且从晶状体水透镜向外抽水，使其变薄，对光的偏折能力变小，使物体成像在视网膜上。

    通过以上物体靠近眼睛和远离眼睛的演示，完美地演示了正常人的眼睛是通过改变眼睛晶状体的焦距，使人既可以看清远处的物体，又可以看清近处的物体。

    2.2.3? ? 演示近视眼成因及其矫正

    （1）将光屏调到中间卡位，并且调节F光源的位置，使其离水透镜较远，同时调节水透镜的厚度，直到光屏上出现F光源清晰的像，以此表示正常的眼睛。（方案一的操作）

    用平行光源模拟远处的物体，调节晶状体水透镜，使光会聚在光屏上，以此表示正常的眼睛。（方案二的操作）如图9。

    （2）将光屏向左移动到最左侧卡位，保持物距不变，此时相当于眼球在前后方向太长，光屏上出现模糊的光斑，而像处于光屏的前方，以此来模拟近视眼。（方案一的操作）

    调节晶状体水透镜使其变厚，折光能力变强，使光在光屏前就开始会聚，以此来模拟近视眼。（方案二的操作）如图10。

    （3）在晶状体水透镜和F光源中间放入眼镜水透镜（初始状态为平透镜），并且逐渐从水透镜内抽水，直到光屏上出现清晰的像。以此来模拟用凹透镜矫正近视眼。（方案一的操作）

    在晶状体水透镜和平行光源之间放入眼镜水透镜（初始状态为平透镜），并且逐渐从眼镜水透镜内向外抽水，直到光重新在视网膜光屏上会聚，以此来模拟用凹透镜矫正近视眼。（方案二的操作）如图11。

    远视眼的矫正可以类似处理，这里不再冗述。

    3? ? 双变水透镜的优点

    3.1? ?双变水透镜，既可以做凹透镜又可以做凸透镜

    由于材料的选择和特殊的设计，笔者所制作的水透镜既可以在平透镜的基础上注水作为凸透镜使用，也可以从透镜内向外抽水，进而把透镜变成凹透镜使用。

    3.2? ? 透明度高，可长时间使用及保存，可以和玻璃透镜媲美

    用氢气球（高透明波波球）的球皮作為水透镜的透明膜，效果极佳。既满足了高透明性，又满足了有一定的弹性但是弹性又不太强，并且有一定的韧性，湿水后也不会改变原来的物理化学性质，透明度、弹性、韧性都不会受影响，一旦制作好后可以长期保留，避免了每次使用时都要重新制作的尴尬情形。

    3.3? ? 厚度合适，符合初中阶段透镜均比较薄的要求

    根据初中物理教学中透镜均为薄透镜的要求，经过多次试验，确定了厚度为1.5 cm作为透镜的标准，这样既能够完成凸透镜、凹透镜的实验要求，又方便制作组装。

    3.4? ? 焦距可调

    无论是作为凸透镜，还是凹透镜，水透镜的焦距均可以自由调节，能够完成教学的各种需要。

    3.5? ? 密封性好，安装简单

    材料准备好后，完成组装只需要不超过10 s的时间，方便快捷，比其他设计要么用很多螺钉固定或者用橡皮筋固定，不但迅速快捷，并且解决了实验的过程中稍微注多一点水就出现漏水这一最大的问题。彻底解决了水透镜成为一次性教具这一尴尬的问题，就算是不小心将透明膜碰破，更换也极为简单。

    笔者利用这套装置上校公开课，取得了不错的效果，在2019年10月笔者参加“广州市中学物理和小学科学实验操作与创新技能竞赛”获得了广州市一等奖，后来参加了省赛，在省赛中取得了省一等奖和创新奖（特等奖）两个大奖。

    （栏目编辑? ? 王柏庐）