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        水透鏡的制作改進(jìn)及應(yīng)用

        2022-06-23 05:18:53王賀
        學(xué)生之友 2022年5期
        關(guān)鍵詞:自制改進(jìn)

        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。可以延展大透鏡的制作,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,所選的外框滿足條件,粘合后對(duì)水的密封性能較好,即使因?yàn)槭稚脑颍瑢?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)開口比膠塞略小,這樣橡膠塞靠自身彈性充滿開口,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)慕咕啵鳛檎5娜搜?。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

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