學(xué)生實(shí)驗(yàn)用可變焦水透鏡的設(shè)計(jì)及制作

曹蘊(yùn)瑞

摘 要：利用低成本、低損耗的簡單材料，設(shè)計(jì)、制作可變焦的水透鏡；使用該教具能夠直觀形象地演示晶狀體凸度的連續(xù)調(diào)節(jié)，加深對人眼成像原理以及近視、遠(yuǎn)視的理解，解決教學(xué)中的難點(diǎn)問題，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新動手能力、提高科學(xué)素養(yǎng)具有一定意義。

關(guān)鍵字：水透鏡；可變焦；模擬人眼成像

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在當(dāng)前的初中物理課程中，有關(guān)于人眼的成像原理以及視力矯正的課程內(nèi)容，由于條件的限制（目前中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)配備的器材都是固定焦距的透鏡）無法模擬人眼晶狀體變焦調(diào)節(jié)的作用。蘇科版物理教材上設(shè)計(jì)的視力矯正也是用普通透鏡代替人眼晶狀體，先戴上眼鏡找清晰像的位置，再拿掉眼鏡找清晰像的位置，然后推出近視眼鏡的作用。對于學(xué)生而言，逆向思維寫出正向結(jié)論有一定困難。若要正向模擬近視眼的情況再給之帶合適的鏡片，得出眼鏡的作用，就需要一個可變焦能模擬晶狀體的水透鏡。

1 設(shè)計(jì)過程

水透鏡的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究視力的矯正，且能反復(fù)利用，就對該器材有較高的制作要求了。

第一，要找既能裝水又可改變水量的素材。比較之下PVC水管最合適，但是自來水管內(nèi)徑太細(xì)，所以選擇了排污管（內(nèi)徑40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50會有成像重影現(xiàn)象（主要是由于內(nèi)徑越大，兩邊橡皮膜受重力的影響下垂越明顯）。

第二，橡皮膜的選擇。既要透明度高又要能承受一定水壓不破的材料。在截好的水管兩側(cè)要各刻一圈槽，把橡皮膜裝上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脫。

第三，改變水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水筆芯的連接可用直徑為6mm的醫(yī)用橡皮管。

第四，要裝到光具座上實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)成像操作。建材市場有與污水管配套的墻卡，正好能起到這個作用，白的PVC墻卡由于白邊反射光，成像效果沒有金屬墻卡更清楚。金屬墻卡每邊都有起防滑作用的黑色橡膠，在這個實(shí)驗(yàn)里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光線，成像更清晰。

第五，水透鏡和生物課程中的眼球模型的結(jié)合可使水透鏡用于小學(xué)科學(xué)以及初中生物課程中人眼成像原理的演示與解釋，直觀形象，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。生物模型中的瞳孔大小可以通過遮光紙調(diào)節(jié)大小使視網(wǎng)膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下側(cè)，可以一定程度上防止使用過程中由于橡皮管彎折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金屬墻卡、橡皮筋、橡皮管、速干膠、水筆芯或吸管、安全套、砂紙、鋸工、螺絲刀、電槍鉆

3 制作步驟

3.1把PVC管鋸成和鐵夾（墻卡）同寬的環(huán)圈，用沙紙打磨切面。

3.2用電槍鉆在PVC管相應(yīng)位置鉆孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁兩側(cè)淺刻凹槽便于橡皮筋縛牢。

3.4用吸管插入PVC管上的鉆孔，百得膠封口，用金屬墻卡固定。

3.5套上橡皮管和針筒（如圖1）命名為“水透鏡”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透鏡，模擬眼球成像過程（如圖2）。

4.2代替晶狀體，直接在眼球模型的視網(wǎng)膜成像及視力矯正的演示（如圖3、4）。

F光源可模擬人眼觀察的景物。當(dāng)景物距離改變時，通過注射器調(diào)節(jié)晶狀體（水透鏡）的凸度從而使視網(wǎng)膜（白色圓片）上呈現(xiàn)清晰的像?？梢园l(fā)現(xiàn)觀察近處景物需要適當(dāng)注水，水透鏡變凸（晶狀體凸度變大）從而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像；觀察遠(yuǎn)處景物需要適當(dāng)抽水，水透鏡凸度變小從而而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像。

4.3 調(diào)節(jié)水透鏡里的水量，也可以當(dāng)成凹透鏡使用。

4.4視力缺陷的模擬及視力矯正的演示，實(shí)驗(yàn)裝配如圖6所示。

先操作調(diào)節(jié)正常人眼成像位置。通過注射器向水透鏡內(nèi)適當(dāng)注水模擬近視眼晶狀體狀態(tài)，可用一張白紙?jiān)诠馄廖恢们昂笠苿诱业角逦南裨谇胺?，可說明近視眼成像在視網(wǎng)膜前，選擇適當(dāng)?shù)难坨R配戴使光屏（視網(wǎng)膜）上能呈清晰的像從而模擬視力的矯正并讓學(xué)生理解眼鏡的光學(xué)作用。同理通過注射器向透鏡內(nèi)適當(dāng)抽水可模擬遠(yuǎn)視眼的成像及矯正。水量改變的不同可模擬近視和遠(yuǎn)視程度的不同，相應(yīng)矯正的眼鏡度數(shù)也不同。

5 教具優(yōu)點(diǎn)

本教具解決了物理和生物課程中解釋人眼成像原理時無法實(shí)現(xiàn)的變焦透鏡作用，較高程度的模擬了晶狀體的調(diào)節(jié)和成像。彌補(bǔ)了教材沒有變焦水透鏡而無法模擬人眼成像的缺陷，使得教學(xué)過程更形象、直觀。

取材簡單，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金屬墻卡的配合使用既能固定又方便安裝在光具座上來回移動。透明彈性膜又可以及時更換，橡皮管與針筒配合使用可以任意調(diào)節(jié)透鏡焦距。實(shí)現(xiàn)了低耗、高效的作用，適用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用該水透鏡探究視力矯正實(shí)驗(yàn)時可以直接結(jié)合近視和遠(yuǎn)視眼鏡進(jìn)行模擬矯正，貼近生活，方便實(shí)用。水透鏡與生物模型的結(jié)合，充分顯示了人眼成像的原理和過程。

將本教具應(yīng)用于教學(xué)，不但解決了教學(xué)中的難點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生主動保護(hù)眼睛的意識，還能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，落實(shí)了新課程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的教學(xué)理念。因此，在新課程的教學(xué)實(shí)踐中，教師除了利用好多媒體網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)室和圖書館等教學(xué)資源的同時，還應(yīng)該重視自制教具、學(xué)具的設(shè)計(jì)和制作，提倡教學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本、低損耗和簡單易行，不斷豐富教學(xué)資源，推進(jìn)初中新課程改革的深入實(shí)施。

（使用本教具上的《照相機(jī)與眼睛 視力的矯正》參加2011年江蘇省初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課評比獲省一等獎。該教具獲得2012年蘇州市自制教具評比一等獎。本教具已申請國家專利，專利號201220413002.X。）

（欄目編輯 王柏廬）

摘 要：利用低成本、低損耗的簡單材料，設(shè)計(jì)、制作可變焦的水透鏡；使用該教具能夠直觀形象地演示晶狀體凸度的連續(xù)調(diào)節(jié)，加深對人眼成像原理以及近視、遠(yuǎn)視的理解，解決教學(xué)中的難點(diǎn)問題，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新動手能力、提高科學(xué)素養(yǎng)具有一定意義。

關(guān)鍵字：水透鏡；可變焦；模擬人眼成像

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在當(dāng)前的初中物理課程中，有關(guān)于人眼的成像原理以及視力矯正的課程內(nèi)容，由于條件的限制（目前中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)配備的器材都是固定焦距的透鏡）無法模擬人眼晶狀體變焦調(diào)節(jié)的作用。蘇科版物理教材上設(shè)計(jì)的視力矯正也是用普通透鏡代替人眼晶狀體，先戴上眼鏡找清晰像的位置，再拿掉眼鏡找清晰像的位置，然后推出近視眼鏡的作用。對于學(xué)生而言，逆向思維寫出正向結(jié)論有一定困難。若要正向模擬近視眼的情況再給之帶合適的鏡片，得出眼鏡的作用，就需要一個可變焦能模擬晶狀體的水透鏡。

1 設(shè)計(jì)過程

水透鏡的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究視力的矯正，且能反復(fù)利用，就對該器材有較高的制作要求了。

第一，要找既能裝水又可改變水量的素材。比較之下PVC水管最合適，但是自來水管內(nèi)徑太細(xì)，所以選擇了排污管（內(nèi)徑40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50會有成像重影現(xiàn)象（主要是由于內(nèi)徑越大，兩邊橡皮膜受重力的影響下垂越明顯）。

第二，橡皮膜的選擇。既要透明度高又要能承受一定水壓不破的材料。在截好的水管兩側(cè)要各刻一圈槽，把橡皮膜裝上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脫。

第三，改變水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水筆芯的連接可用直徑為6mm的醫(yī)用橡皮管。

第四，要裝到光具座上實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)成像操作。建材市場有與污水管配套的墻卡，正好能起到這個作用，白的PVC墻卡由于白邊反射光，成像效果沒有金屬墻卡更清楚。金屬墻卡每邊都有起防滑作用的黑色橡膠，在這個實(shí)驗(yàn)里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光線，成像更清晰。

第五，水透鏡和生物課程中的眼球模型的結(jié)合可使水透鏡用于小學(xué)科學(xué)以及初中生物課程中人眼成像原理的演示與解釋，直觀形象，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。生物模型中的瞳孔大小可以通過遮光紙調(diào)節(jié)大小使視網(wǎng)膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下側(cè)，可以一定程度上防止使用過程中由于橡皮管彎折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金屬墻卡、橡皮筋、橡皮管、速干膠、水筆芯或吸管、安全套、砂紙、鋸工、螺絲刀、電槍鉆

3 制作步驟

3.1把PVC管鋸成和鐵夾（墻卡）同寬的環(huán)圈，用沙紙打磨切面。

3.2用電槍鉆在PVC管相應(yīng)位置鉆孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁兩側(cè)淺刻凹槽便于橡皮筋縛牢。

3.4用吸管插入PVC管上的鉆孔，百得膠封口，用金屬墻卡固定。

3.5套上橡皮管和針筒（如圖1）命名為“水透鏡”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透鏡，模擬眼球成像過程（如圖2）。

4.2代替晶狀體，直接在眼球模型的視網(wǎng)膜成像及視力矯正的演示（如圖3、4）。

F光源可模擬人眼觀察的景物。當(dāng)景物距離改變時，通過注射器調(diào)節(jié)晶狀體（水透鏡）的凸度從而使視網(wǎng)膜（白色圓片）上呈現(xiàn)清晰的像?？梢园l(fā)現(xiàn)觀察近處景物需要適當(dāng)注水，水透鏡變凸（晶狀體凸度變大）從而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像；觀察遠(yuǎn)處景物需要適當(dāng)抽水，水透鏡凸度變小從而而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像。

4.3 調(diào)節(jié)水透鏡里的水量，也可以當(dāng)成凹透鏡使用。

4.4視力缺陷的模擬及視力矯正的演示，實(shí)驗(yàn)裝配如圖6所示。

先操作調(diào)節(jié)正常人眼成像位置。通過注射器向水透鏡內(nèi)適當(dāng)注水模擬近視眼晶狀體狀態(tài)，可用一張白紙?jiān)诠馄廖恢们昂笠苿诱业角逦南裨谇胺?，可說明近視眼成像在視網(wǎng)膜前，選擇適當(dāng)?shù)难坨R配戴使光屏（視網(wǎng)膜）上能呈清晰的像從而模擬視力的矯正并讓學(xué)生理解眼鏡的光學(xué)作用。同理通過注射器向透鏡內(nèi)適當(dāng)抽水可模擬遠(yuǎn)視眼的成像及矯正。水量改變的不同可模擬近視和遠(yuǎn)視程度的不同，相應(yīng)矯正的眼鏡度數(shù)也不同。

5 教具優(yōu)點(diǎn)

本教具解決了物理和生物課程中解釋人眼成像原理時無法實(shí)現(xiàn)的變焦透鏡作用，較高程度的模擬了晶狀體的調(diào)節(jié)和成像。彌補(bǔ)了教材沒有變焦水透鏡而無法模擬人眼成像的缺陷，使得教學(xué)過程更形象、直觀。

取材簡單，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金屬墻卡的配合使用既能固定又方便安裝在光具座上來回移動。透明彈性膜又可以及時更換，橡皮管與針筒配合使用可以任意調(diào)節(jié)透鏡焦距。實(shí)現(xiàn)了低耗、高效的作用，適用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用該水透鏡探究視力矯正實(shí)驗(yàn)時可以直接結(jié)合近視和遠(yuǎn)視眼鏡進(jìn)行模擬矯正，貼近生活，方便實(shí)用。水透鏡與生物模型的結(jié)合，充分顯示了人眼成像的原理和過程。

將本教具應(yīng)用于教學(xué)，不但解決了教學(xué)中的難點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生主動保護(hù)眼睛的意識，還能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，落實(shí)了新課程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的教學(xué)理念。因此，在新課程的教學(xué)實(shí)踐中，教師除了利用好多媒體網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)室和圖書館等教學(xué)資源的同時，還應(yīng)該重視自制教具、學(xué)具的設(shè)計(jì)和制作，提倡教學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本、低損耗和簡單易行，不斷豐富教學(xué)資源，推進(jìn)初中新課程改革的深入實(shí)施。

（使用本教具上的《照相機(jī)與眼睛 視力的矯正》參加2011年江蘇省初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課評比獲省一等獎。該教具獲得2012年蘇州市自制教具評比一等獎。本教具已申請國家專利，專利號201220413002.X。）

（欄目編輯 王柏廬）

摘 要：利用低成本、低損耗的簡單材料，設(shè)計(jì)、制作可變焦的水透鏡；使用該教具能夠直觀形象地演示晶狀體凸度的連續(xù)調(diào)節(jié)，加深對人眼成像原理以及近視、遠(yuǎn)視的理解，解決教學(xué)中的難點(diǎn)問題，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新動手能力、提高科學(xué)素養(yǎng)具有一定意義。

關(guān)鍵字：水透鏡；可變焦；模擬人眼成像

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在當(dāng)前的初中物理課程中，有關(guān)于人眼的成像原理以及視力矯正的課程內(nèi)容，由于條件的限制（目前中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)配備的器材都是固定焦距的透鏡）無法模擬人眼晶狀體變焦調(diào)節(jié)的作用。蘇科版物理教材上設(shè)計(jì)的視力矯正也是用普通透鏡代替人眼晶狀體，先戴上眼鏡找清晰像的位置，再拿掉眼鏡找清晰像的位置，然后推出近視眼鏡的作用。對于學(xué)生而言，逆向思維寫出正向結(jié)論有一定困難。若要正向模擬近視眼的情況再給之帶合適的鏡片，得出眼鏡的作用，就需要一個可變焦能模擬晶狀體的水透鏡。

1 設(shè)計(jì)過程

水透鏡的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究視力的矯正，且能反復(fù)利用，就對該器材有較高的制作要求了。

第一，要找既能裝水又可改變水量的素材。比較之下PVC水管最合適，但是自來水管內(nèi)徑太細(xì)，所以選擇了排污管（內(nèi)徑40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50會有成像重影現(xiàn)象（主要是由于內(nèi)徑越大，兩邊橡皮膜受重力的影響下垂越明顯）。

第二，橡皮膜的選擇。既要透明度高又要能承受一定水壓不破的材料。在截好的水管兩側(cè)要各刻一圈槽，把橡皮膜裝上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脫。

第三，改變水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水筆芯的連接可用直徑為6mm的醫(yī)用橡皮管。

第四，要裝到光具座上實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)成像操作。建材市場有與污水管配套的墻卡，正好能起到這個作用，白的PVC墻卡由于白邊反射光，成像效果沒有金屬墻卡更清楚。金屬墻卡每邊都有起防滑作用的黑色橡膠，在這個實(shí)驗(yàn)里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光線，成像更清晰。

第五，水透鏡和生物課程中的眼球模型的結(jié)合可使水透鏡用于小學(xué)科學(xué)以及初中生物課程中人眼成像原理的演示與解釋，直觀形象，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。生物模型中的瞳孔大小可以通過遮光紙調(diào)節(jié)大小使視網(wǎng)膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下側(cè)，可以一定程度上防止使用過程中由于橡皮管彎折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金屬墻卡、橡皮筋、橡皮管、速干膠、水筆芯或吸管、安全套、砂紙、鋸工、螺絲刀、電槍鉆

3 制作步驟

3.1把PVC管鋸成和鐵夾（墻卡）同寬的環(huán)圈，用沙紙打磨切面。

3.2用電槍鉆在PVC管相應(yīng)位置鉆孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁兩側(cè)淺刻凹槽便于橡皮筋縛牢。

3.4用吸管插入PVC管上的鉆孔，百得膠封口，用金屬墻卡固定。

3.5套上橡皮管和針筒（如圖1）命名為“水透鏡”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透鏡，模擬眼球成像過程（如圖2）。

4.2代替晶狀體，直接在眼球模型的視網(wǎng)膜成像及視力矯正的演示（如圖3、4）。

F光源可模擬人眼觀察的景物。當(dāng)景物距離改變時，通過注射器調(diào)節(jié)晶狀體（水透鏡）的凸度從而使視網(wǎng)膜（白色圓片）上呈現(xiàn)清晰的像?？梢园l(fā)現(xiàn)觀察近處景物需要適當(dāng)注水，水透鏡變凸（晶狀體凸度變大）從而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像；觀察遠(yuǎn)處景物需要適當(dāng)抽水，水透鏡凸度變小從而而使視網(wǎng)膜上呈清晰的像。

4.3 調(diào)節(jié)水透鏡里的水量，也可以當(dāng)成凹透鏡使用。

4.4視力缺陷的模擬及視力矯正的演示，實(shí)驗(yàn)裝配如圖6所示。

先操作調(diào)節(jié)正常人眼成像位置。通過注射器向水透鏡內(nèi)適當(dāng)注水模擬近視眼晶狀體狀態(tài)，可用一張白紙?jiān)诠馄廖恢们昂笠苿诱业角逦南裨谇胺?，可說明近視眼成像在視網(wǎng)膜前，選擇適當(dāng)?shù)难坨R配戴使光屏（視網(wǎng)膜）上能呈清晰的像從而模擬視力的矯正并讓學(xué)生理解眼鏡的光學(xué)作用。同理通過注射器向透鏡內(nèi)適當(dāng)抽水可模擬遠(yuǎn)視眼的成像及矯正。水量改變的不同可模擬近視和遠(yuǎn)視程度的不同，相應(yīng)矯正的眼鏡度數(shù)也不同。

5 教具優(yōu)點(diǎn)

本教具解決了物理和生物課程中解釋人眼成像原理時無法實(shí)現(xiàn)的變焦透鏡作用，較高程度的模擬了晶狀體的調(diào)節(jié)和成像。彌補(bǔ)了教材沒有變焦水透鏡而無法模擬人眼成像的缺陷，使得教學(xué)過程更形象、直觀。

取材簡單，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金屬墻卡的配合使用既能固定又方便安裝在光具座上來回移動。透明彈性膜又可以及時更換，橡皮管與針筒配合使用可以任意調(diào)節(jié)透鏡焦距。實(shí)現(xiàn)了低耗、高效的作用，適用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用該水透鏡探究視力矯正實(shí)驗(yàn)時可以直接結(jié)合近視和遠(yuǎn)視眼鏡進(jìn)行模擬矯正，貼近生活，方便實(shí)用。水透鏡與生物模型的結(jié)合，充分顯示了人眼成像的原理和過程。

將本教具應(yīng)用于教學(xué)，不但解決了教學(xué)中的難點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生主動保護(hù)眼睛的意識，還能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，落實(shí)了新課程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的教學(xué)理念。因此，在新課程的教學(xué)實(shí)踐中，教師除了利用好多媒體網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)室和圖書館等教學(xué)資源的同時，還應(yīng)該重視自制教具、學(xué)具的設(shè)計(jì)和制作，提倡教學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本、低損耗和簡單易行，不斷豐富教學(xué)資源，推進(jìn)初中新課程改革的深入實(shí)施。

（使用本教具上的《照相機(jī)與眼睛 視力的矯正》參加2011年江蘇省初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課評比獲省一等獎。該教具獲得2012年蘇州市自制教具評比一等獎。本教具已申請國家專利，專利號201220413002.X。）

（欄目編輯 王柏廬）