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        雙變水透鏡的制作及其應(yīng)用

        2020-09-22 10:20:43田防震
        物理教學(xué)探討 2020年8期
        關(guān)鍵詞:自制低成本

        田防震

        摘? ?要:筆者自制了低成本雙變水透鏡,能很好地演示凸透鏡和凹透鏡對光線的作用,以及演示人眼睛看近處、遠(yuǎn)處物體的原理,在演示近視眼、遠(yuǎn)視眼成因及矯正方面取得了非常好的演示效果,很好地解決了教學(xué)難點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:低成本;自制;雙變水透鏡

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2020)8-0053-3

        1? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)想

        “照相機(jī)與眼睛視力的矯正”是人教版初中物理八年級上冊的重要一課,主要探究凸透鏡成像規(guī)律。一般而言,采用可變焦透鏡能有效提高教學(xué)效率,但這種透鏡較難制作,給教學(xué)帶來了不便。為此,利用日常用品制作一款“可變焦水透鏡”,可用于模擬人眼的調(diào)節(jié),近視眼、遠(yuǎn)視眼的形成以及矯正等實(shí)驗(yàn)。

        在教學(xué)的過程中,不少老師也做了各種各樣的嘗試,使用了各種方法制作水透鏡。

        近兩年來經(jīng)過思考和多次嘗試,筆者確定了用水管做透鏡主體、用水管轉(zhuǎn)接頭作為固定環(huán)、用氫氣球(波波球)做透明膜的方案。介紹如下:

        2? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方法及實(shí)驗(yàn)步驟

        2.1? ? 水透鏡的制作

        2.1.1? ? 制作材料

        外徑63 mm的透明PVC管,內(nèi)徑63 mm的 PVC管轉(zhuǎn)接頭,如圖1所示。

        高韌性、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(帶有流速調(diào)節(jié)器),長度40 mm的空圓珠筆芯一段(粗細(xì)以保證輸液管緊套在上面為宜)。

        2.1.2? ? 制作方法

        (1)水透鏡鏡框的制作

        材料準(zhǔn)備:

        ①用臺(tái)鋸截取2 cm長、外徑63 mm的透明PVC管,并且用砂布將兩端毛刺打磨掉,在管壁上過直徑的兩個(gè)端點(diǎn)的位置用臺(tái)鉆打兩個(gè)大小合適的小孔,分別用來裝支架和注水管。作為水透鏡的容器。

        ②用臺(tái)鋸在內(nèi)徑63 mm的PVC管轉(zhuǎn)接頭上截取兩個(gè)長度為5 mm的圓環(huán),并且用砂布打磨掉兩端的毛刺,作為固定環(huán),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來兩個(gè)直徑為80 mm的圓。

        ④從實(shí)驗(yàn)室的透鏡上拆下來一個(gè)一端帶螺紋的金屬棒,作為水透鏡的支架。

        ⑤用剪刀截取長度為2 cm左右的空圓珠筆芯,作為水透鏡的注水管。

        準(zhǔn)備好的材料如圖2所示。

        水透鏡的組裝:

        第一步:將注水管和支架分別裝到預(yù)留的小孔中。

        第二步:將水透鏡的容器、透明膜、固定環(huán)自下而上按順序放好,均勻用力,輕輕按壓,透明膜就被牢牢地固定好,用同樣的方法固定另一側(cè)的透明膜。

        安裝好的水透鏡如圖3所示。

        第三步:將注射器用輸液管(帶有流速調(diào)節(jié)器)連接到注水孔(空圓珠筆芯)上(如圖4)。

        備注:在這個(gè)水透鏡的設(shè)計(jì)中,并沒有設(shè)計(jì)排氣孔,而是通過注水孔完成排氣,注水保持注水孔在最上方,通過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氣,往復(fù)幾次后,就可以將水透鏡注滿水并且排出里面的空氣。

        2.2? ? 教學(xué)應(yīng)用

        2.2.1? ? 介紹透鏡種類

        可以通過調(diào)節(jié)水透鏡內(nèi)部的水量來調(diào)節(jié)透鏡的凸凹,分別可以演示出凸透鏡、平透鏡以及凹透鏡。(如圖5)

        2.2.2? ? 介紹眼睛看到不同距離物體的原理

        方案一:F光源模擬物體,光屏模擬人的視網(wǎng)膜,水透鏡模擬人眼的晶狀體,保持光屏和水透鏡的距離不變(晶狀體到視網(wǎng)膜的距離不變),整個(gè)PVC框架結(jié)合水透鏡就成了眼球。此裝置固定在光具座上面,整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置方便旋轉(zhuǎn)方向,使各個(gè)方向的學(xué)生均能夠看到成像情況。

        方案二:用F光源模擬物體,水透鏡模擬晶狀體,磨砂玻璃模擬視網(wǎng)膜,透明球模擬人的眼球,并且用攝像頭將磨砂玻璃上所成的像投影到大屏幕電視上(若教室無攝像頭,亦可以用手機(jī)QQ與電腦QQ視頻通話),便于學(xué)生觀察成像情況。此裝置相對于方案一更加形象,學(xué)生看到之后容易聯(lián)想到眼球。而且可以同時(shí)看到教師的操作與磨砂玻璃上隨之變化的動(dòng)態(tài)情形,學(xué)生更加容易理解通過調(diào)節(jié)晶狀體的形狀可以使不同距離的物體都可以清晰地成像在視網(wǎng)膜上。(如圖6,左圖為原理圖,中圖為方案一圖,右圖為方案二圖)

        (1)將物體(F)擺到較遠(yuǎn)位置,調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡里面的水量,使得光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像(如圖6)。

        (2)移動(dòng)物體(F光源),使它靠近晶狀體水透鏡,同時(shí)緩慢地向晶狀體水透鏡里注水,使晶狀體水透鏡變厚對光的偏折能力變大,直到光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像(如圖7)。

        (3)繼續(xù)移動(dòng)物體(F光源),使它靠近晶狀體水透鏡,同時(shí)繼續(xù)向晶狀體水透鏡里注水,使晶狀體水透鏡變得更厚,對光的偏折能力更大,直到光屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的像(如圖8)。

        然后,讓物體(F光源)逐漸遠(yuǎn)離“人眼”,并且從晶狀體水透鏡向外抽水,使其變薄,對光的偏折能力變小,使物體成像在視網(wǎng)膜上。

        通過以上物體靠近眼睛和遠(yuǎn)離眼睛的演示,完美地演示了正常人的眼睛是通過改變眼睛晶狀體的焦距,使人既可以看清遠(yuǎn)處的物體,又可以看清近處的物體。

        2.2.3? ? 演示近視眼成因及其矯正

        (1)將光屏調(diào)到中間卡位,并且調(diào)節(jié)F光源的位置,使其離水透鏡較遠(yuǎn),同時(shí)調(diào)節(jié)水透鏡的厚度,直到光屏上出現(xiàn)F光源清晰的像,以此表示正常的眼睛。(方案一的操作)

        用平行光源模擬遠(yuǎn)處的物體,調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡,使光會(huì)聚在光屏上,以此表示正常的眼睛。(方案二的操作)如圖9。

        (2)將光屏向左移動(dòng)到最左側(cè)卡位,保持物距不變,此時(shí)相當(dāng)于眼球在前后方向太長,光屏上出現(xiàn)模糊的光斑,而像處于光屏的前方,以此來模擬近視眼。(方案一的操作)

        調(diào)節(jié)晶狀體水透鏡使其變厚,折光能力變強(qiáng),使光在光屏前就開始會(huì)聚,以此來模擬近視眼。(方案二的操作)如圖10。

        (3)在晶狀體水透鏡和F光源中間放入眼鏡水透鏡(初始狀態(tài)為平透鏡),并且逐漸從水透鏡內(nèi)抽水,直到光屏上出現(xiàn)清晰的像。以此來模擬用凹透鏡矯正近視眼。(方案一的操作)

        在晶狀體水透鏡和平行光源之間放入眼鏡水透鏡(初始狀態(tài)為平透鏡),并且逐漸從眼鏡水透鏡內(nèi)向外抽水,直到光重新在視網(wǎng)膜光屏上會(huì)聚,以此來模擬用凹透鏡矯正近視眼。(方案二的操作)如圖11。

        遠(yuǎn)視眼的矯正可以類似處理,這里不再冗述。

        3? ? 雙變水透鏡的優(yōu)點(diǎn)

        3.1? ?雙變水透鏡,既可以做凹透鏡又可以做凸透鏡

        由于材料的選擇和特殊的設(shè)計(jì),筆者所制作的水透鏡既可以在平透鏡的基礎(chǔ)上注水作為凸透鏡使用,也可以從透鏡內(nèi)向外抽水,進(jìn)而把透鏡變成凹透鏡使用。

        3.2? ? 透明度高,可長時(shí)間使用及保存,可以和玻璃透鏡媲美

        用氫氣球(高透明波波球)的球皮作為水透鏡的透明膜,效果極佳。既滿足了高透明性,又滿足了有一定的彈性但是彈性又不太強(qiáng),并且有一定的韌性,濕水后也不會(huì)改變原來的物理化學(xué)性質(zhì),透明度、彈性、韌性都不會(huì)受影響,一旦制作好后可以長期保留,避免了每次使用時(shí)都要重新制作的尷尬情形。

        3.3? ? 厚度合適,符合初中階段透鏡均比較薄的要求

        根據(jù)初中物理教學(xué)中透鏡均為薄透鏡的要求,經(jīng)過多次試驗(yàn),確定了厚度為1.5 cm作為透鏡的標(biāo)準(zhǔn),這樣既能夠完成凸透鏡、凹透鏡的實(shí)驗(yàn)要求,又方便制作組裝。

        3.4? ? 焦距可調(diào)

        無論是作為凸透鏡,還是凹透鏡,水透鏡的焦距均可以自由調(diào)節(jié),能夠完成教學(xué)的各種需要。

        3.5? ? 密封性好,安裝簡單

        材料準(zhǔn)備好后,完成組裝只需要不超過10 s的時(shí)間,方便快捷,比其他設(shè)計(jì)要么用很多螺釘固定或者用橡皮筋固定,不但迅速快捷,并且解決了實(shí)驗(yàn)的過程中稍微注多一點(diǎn)水就出現(xiàn)漏水這一最大的問題。徹底解決了水透鏡成為一次性教具這一尷尬的問題,就算是不小心將透明膜碰破,更換也極為簡單。

        筆者利用這套裝置上校公開課,取得了不錯(cuò)的效果,在2019年10月筆者參加“廣州市中學(xué)物理和小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作與創(chuàng)新技能競賽”獲得了廣州市一等獎(jiǎng),后來參加了省賽,在省賽中取得了省一等獎(jiǎng)和創(chuàng)新獎(jiǎng)(特等獎(jiǎng))兩個(gè)大獎(jiǎng)。

        (欄目編輯? ? 王柏廬)

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