学生实验用可变焦水透镜的设计及制作

曹蕴瑞

摘 要：利用低成本、低损耗的简单材料，设计、制作可变焦的水透镜；使用该教具能够直观形象地演示晶状体凸度的连续调节，加深对人眼成像原理以及近视、远视的理解，解决教学中的难点问题，对培养学生的创新动手能力、提高科学素养具有一定意义。

关键字：水透镜；可变焦；模拟人眼成像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在当前的初中物理课程中，有关于人眼的成像原理以及视力矫正的课程内容，由于条件的限制（目前中学物理光学实验配备的器材都是固定焦距的透镜）无法模拟人眼晶状体变焦调节的作用。苏科版物理教材上设计的视力矫正也是用普通透镜代替人眼晶状体，先戴上眼镜找清晰像的位置，再拿掉眼镜找清晰像的位置，然后推出近视眼镜的作用。对于学生而言，逆向思维写出正向结论有一定困难。若要正向模拟近视眼的情况再给之带合适的镜片，得出眼镜的作用，就需要一个可变焦能模拟晶状体的水透镜。

1 设计过程

水透镜的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究视力的矫正，且能反复利用，就对该器材有较高的制作要求了。

第一，要找既能装水又可改变水量的素材。比较之下PVC水管最合适，但是自来水管内径太细，所以选择了排污管（内径40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50会有成像重影现象（主要是由于内径越大，两边橡皮膜受重力的影响下垂越明显）。

第二，橡皮膜的选择。既要透明度高又要能承受一定水压不破的材料。在截好的水管两侧要各刻一圈槽，把橡皮膜装上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脱。

第三，改变水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水笔芯的连接可用直径为6mm的医用橡皮管。

第四，要装到光具座上实现可调节成像操作。建材市场有与污水管配套的墙卡，正好能起到这个作用，白的PVC墙卡由于白边反射光，成像效果没有金属墙卡更清楚。金属墙卡每边都有起防滑作用的黑色橡胶，在这个实验里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光线，成像更清晰。

第五，水透镜和生物课程中的眼球模型的结合可使水透镜用于小学科学以及初中生物课程中人眼成像原理的演示与解释，直观形象，充分发挥其优势。生物模型中的瞳孔大小可以通过遮光纸调节大小使视网膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下侧，可以一定程度上防止使用过程中由于橡皮管弯折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金属墙卡、橡皮筋、橡皮管、速干胶、水笔芯或吸管、安全套、砂纸、锯工、螺丝刀、电枪钻

3 制作步骤

3.1把PVC管锯成和铁夹（墙卡）同宽的环圈，用沙纸打磨切面。

3.2用电枪钻在PVC管相应位置钻孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁两侧浅刻凹槽便于橡皮筋缚牢。

3.4用吸管插入PVC管上的钻孔，百得胶封口，用金属墙卡固定。

3.5套上橡皮管和针筒（如图1）命名为“水透镜”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透镜，模拟眼球成像过程（如图2）。

4.2代替晶状体，直接在眼球模型的视网膜成像及视力矫正的演示（如图3、4）。

F光源可模拟人眼观察的景物。当景物距离改变时，通过注射器调节晶状体（水透镜）的凸度从而使视网膜（白色圆片）上呈现清晰的像。可以发现观察近处景物需要适当注水，水透镜变凸（晶状体凸度变大）从而使视网膜上呈清晰的像；观察远处景物需要适当抽水，水透镜凸度变小从而而使视网膜上呈清晰的像。

4.3 调节水透镜里的水量，也可以当成凹透镜使用。

4.4视力缺陷的模拟及视力矫正的演示，实验装配如图6所示。

先操作调节正常人眼成像位置。通过注射器向水透镜内适当注水模拟近视眼晶状体状态，可用一张白纸在光屏位置前后移动找到清晰的像在前方，可说明近视眼成像在视网膜前，选择适当的眼镜配戴使光屏（视网膜）上能呈清晰的像从而模拟视力的矫正并让学生理解眼镜的光学作用。同理通过注射器向透镜内适当抽水可模拟远视眼的成像及矫正。水量改变的不同可模拟近视和远视程度的不同，相应矫正的眼镜度数也不同。

5 教具优点

本教具解决了物理和生物课程中解释人眼成像原理时无法实现的变焦透镜作用，较高程度的模拟了晶状体的调节和成像。弥补了教材没有变焦水透镜而无法模拟人眼成像的缺陷，使得教学过程更形象、直观。

取材简单，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金属墙卡的配合使用既能固定又方便安装在光具座上来回移动。透明弹性膜又可以及时更换，橡皮管与针筒配合使用可以任意调节透镜焦距。实现了低耗、高效的作用，适用于中小学实验教学。用该水透镜探究视力矫正实验时可以直接结合近视和远视眼镜进行模拟矫正，贴近生活，方便实用。水透镜与生物模型的结合，充分显示了人眼成像的原理和过程。

将本教具应用于教学，不但解决了教学中的难点，增强了学生主动保护眼睛的意识，还能培养学生的思维能力、动手能力和创新能力，落实了新课程中培养学生科学素养、实践能力和创新精神的教学理念。因此，在新课程的教学实践中，教师除了利用好多媒体网络、实验室和图书馆等教学资源的同时，还应该重视自制教具、学具的设计和制作，提倡教学实验的低成本、低损耗和简单易行，不断丰富教学资源，推进初中新课程改革的深入实施。

（使用本教具上的《照相机与眼睛 视力的矫正》参加2011年江苏省初中物理实验教学课评比获省一等奖。该教具获得2012年苏州市自制教具评比一等奖。本教具已申请国家专利，专利号201220413002.X。）

（栏目编辑 王柏庐）

摘 要：利用低成本、低损耗的简单材料，设计、制作可变焦的水透镜；使用该教具能够直观形象地演示晶状体凸度的连续调节，加深对人眼成像原理以及近视、远视的理解，解决教学中的难点问题，对培养学生的创新动手能力、提高科学素养具有一定意义。

关键字：水透镜；可变焦；模拟人眼成像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在当前的初中物理课程中，有关于人眼的成像原理以及视力矫正的课程内容，由于条件的限制（目前中学物理光学实验配备的器材都是固定焦距的透镜）无法模拟人眼晶状体变焦调节的作用。苏科版物理教材上设计的视力矫正也是用普通透镜代替人眼晶状体，先戴上眼镜找清晰像的位置，再拿掉眼镜找清晰像的位置，然后推出近视眼镜的作用。对于学生而言，逆向思维写出正向结论有一定困难。若要正向模拟近视眼的情况再给之带合适的镜片，得出眼镜的作用，就需要一个可变焦能模拟晶状体的水透镜。

1 设计过程

水透镜的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究视力的矫正，且能反复利用，就对该器材有较高的制作要求了。

第一，要找既能装水又可改变水量的素材。比较之下PVC水管最合适，但是自来水管内径太细，所以选择了排污管（内径40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50会有成像重影现象（主要是由于内径越大，两边橡皮膜受重力的影响下垂越明显）。

第二，橡皮膜的选择。既要透明度高又要能承受一定水压不破的材料。在截好的水管两侧要各刻一圈槽，把橡皮膜装上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脱。

第三，改变水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水笔芯的连接可用直径为6mm的医用橡皮管。

第四，要装到光具座上实现可调节成像操作。建材市场有与污水管配套的墙卡，正好能起到这个作用，白的PVC墙卡由于白边反射光，成像效果没有金属墙卡更清楚。金属墙卡每边都有起防滑作用的黑色橡胶，在这个实验里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光线，成像更清晰。

第五，水透镜和生物课程中的眼球模型的结合可使水透镜用于小学科学以及初中生物课程中人眼成像原理的演示与解释，直观形象，充分发挥其优势。生物模型中的瞳孔大小可以通过遮光纸调节大小使视网膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下侧，可以一定程度上防止使用过程中由于橡皮管弯折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金属墙卡、橡皮筋、橡皮管、速干胶、水笔芯或吸管、安全套、砂纸、锯工、螺丝刀、电枪钻

3 制作步骤

3.1把PVC管锯成和铁夹（墙卡）同宽的环圈，用沙纸打磨切面。

3.2用电枪钻在PVC管相应位置钻孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁两侧浅刻凹槽便于橡皮筋缚牢。

3.4用吸管插入PVC管上的钻孔，百得胶封口，用金属墙卡固定。

3.5套上橡皮管和针筒（如图1）命名为“水透镜”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透镜，模拟眼球成像过程（如图2）。

4.2代替晶状体，直接在眼球模型的视网膜成像及视力矫正的演示（如图3、4）。

F光源可模拟人眼观察的景物。当景物距离改变时，通过注射器调节晶状体（水透镜）的凸度从而使视网膜（白色圆片）上呈现清晰的像。可以发现观察近处景物需要适当注水，水透镜变凸（晶状体凸度变大）从而使视网膜上呈清晰的像；观察远处景物需要适当抽水，水透镜凸度变小从而而使视网膜上呈清晰的像。

4.3 调节水透镜里的水量，也可以当成凹透镜使用。

4.4视力缺陷的模拟及视力矫正的演示，实验装配如图6所示。

先操作调节正常人眼成像位置。通过注射器向水透镜内适当注水模拟近视眼晶状体状态，可用一张白纸在光屏位置前后移动找到清晰的像在前方，可说明近视眼成像在视网膜前，选择适当的眼镜配戴使光屏（视网膜）上能呈清晰的像从而模拟视力的矫正并让学生理解眼镜的光学作用。同理通过注射器向透镜内适当抽水可模拟远视眼的成像及矫正。水量改变的不同可模拟近视和远视程度的不同，相应矫正的眼镜度数也不同。

5 教具优点

本教具解决了物理和生物课程中解释人眼成像原理时无法实现的变焦透镜作用，较高程度的模拟了晶状体的调节和成像。弥补了教材没有变焦水透镜而无法模拟人眼成像的缺陷，使得教学过程更形象、直观。

取材简单，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金属墙卡的配合使用既能固定又方便安装在光具座上来回移动。透明弹性膜又可以及时更换，橡皮管与针筒配合使用可以任意调节透镜焦距。实现了低耗、高效的作用，适用于中小学实验教学。用该水透镜探究视力矫正实验时可以直接结合近视和远视眼镜进行模拟矫正，贴近生活，方便实用。水透镜与生物模型的结合，充分显示了人眼成像的原理和过程。

将本教具应用于教学，不但解决了教学中的难点，增强了学生主动保护眼睛的意识，还能培养学生的思维能力、动手能力和创新能力，落实了新课程中培养学生科学素养、实践能力和创新精神的教学理念。因此，在新课程的教学实践中，教师除了利用好多媒体网络、实验室和图书馆等教学资源的同时，还应该重视自制教具、学具的设计和制作，提倡教学实验的低成本、低损耗和简单易行，不断丰富教学资源，推进初中新课程改革的深入实施。

（使用本教具上的《照相机与眼睛 视力的矫正》参加2011年江苏省初中物理实验教学课评比获省一等奖。该教具获得2012年苏州市自制教具评比一等奖。本教具已申请国家专利，专利号201220413002.X。）

（栏目编辑 王柏庐）

摘 要：利用低成本、低损耗的简单材料，设计、制作可变焦的水透镜；使用该教具能够直观形象地演示晶状体凸度的连续调节，加深对人眼成像原理以及近视、远视的理解，解决教学中的难点问题，对培养学生的创新动手能力、提高科学素养具有一定意义。

关键字：水透镜；可变焦；模拟人眼成像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）9（S）-0055-3

在当前的初中物理课程中，有关于人眼的成像原理以及视力矫正的课程内容，由于条件的限制（目前中学物理光学实验配备的器材都是固定焦距的透镜）无法模拟人眼晶状体变焦调节的作用。苏科版物理教材上设计的视力矫正也是用普通透镜代替人眼晶状体，先戴上眼镜找清晰像的位置，再拿掉眼镜找清晰像的位置，然后推出近视眼镜的作用。对于学生而言，逆向思维写出正向结论有一定困难。若要正向模拟近视眼的情况再给之带合适的镜片，得出眼镜的作用，就需要一个可变焦能模拟晶状体的水透镜。

1 设计过程

水透镜的制作方法有很多，但要能成清晰的像，研究视力的矫正，且能反复利用，就对该器材有较高的制作要求了。

第一，要找既能装水又可改变水量的素材。比较之下PVC水管最合适，但是自来水管内径太细，所以选择了排污管（内径40mm和50mm）。而40和50的相比之下40的清晰度高些。50会有成像重影现象（主要是由于内径越大，两边橡皮膜受重力的影响下垂越明显）。

第二，橡皮膜的选择。既要透明度高又要能承受一定水压不破的材料。在截好的水管两侧要各刻一圈槽，把橡皮膜装上后，用橡皮筋固定在槽里，防止滑脱。

第三，改变水量可用注射器（10ml或者20ml），注射器和水笔芯的连接可用直径为6mm的医用橡皮管。

第四，要装到光具座上实现可调节成像操作。建材市场有与污水管配套的墙卡，正好能起到这个作用，白的PVC墙卡由于白边反射光，成像效果没有金属墙卡更清楚。金属墙卡每边都有起防滑作用的黑色橡胶，在这个实验里主要有以下作用：①固定和防滑；②密封（防水）；③吸收多余光线，成像更清晰。

第五，水透镜和生物课程中的眼球模型的结合可使水透镜用于小学科学以及初中生物课程中人眼成像原理的演示与解释，直观形象，充分发挥其优势。生物模型中的瞳孔大小可以通过遮光纸调节大小使视网膜上成像更清晰。在眼球模型中出水口改至下侧，可以一定程度上防止使用过程中由于橡皮管弯折引起的堵塞。

2 制作材料

PVC排污管、金属墙卡、橡皮筋、橡皮管、速干胶、水笔芯或吸管、安全套、砂纸、锯工、螺丝刀、电枪钻

3 制作步骤

3.1把PVC管锯成和铁夹（墙卡）同宽的环圈，用沙纸打磨切面。

3.2用电枪钻在PVC管相应位置钻孔。

3.3用安全套包裹住PVC管，管壁两侧浅刻凹槽便于橡皮筋缚牢。

3.4用吸管插入PVC管上的钻孔，百得胶封口，用金属墙卡固定。

3.5套上橡皮管和针筒（如图1）命名为“水透镜”。

4 演示方法

4.1代替玻璃凸透镜，模拟眼球成像过程（如图2）。

4.2代替晶状体，直接在眼球模型的视网膜成像及视力矫正的演示（如图3、4）。

F光源可模拟人眼观察的景物。当景物距离改变时，通过注射器调节晶状体（水透镜）的凸度从而使视网膜（白色圆片）上呈现清晰的像。可以发现观察近处景物需要适当注水，水透镜变凸（晶状体凸度变大）从而使视网膜上呈清晰的像；观察远处景物需要适当抽水，水透镜凸度变小从而而使视网膜上呈清晰的像。

4.3 调节水透镜里的水量，也可以当成凹透镜使用。

4.4视力缺陷的模拟及视力矫正的演示，实验装配如图6所示。

先操作调节正常人眼成像位置。通过注射器向水透镜内适当注水模拟近视眼晶状体状态，可用一张白纸在光屏位置前后移动找到清晰的像在前方，可说明近视眼成像在视网膜前，选择适当的眼镜配戴使光屏（视网膜）上能呈清晰的像从而模拟视力的矫正并让学生理解眼镜的光学作用。同理通过注射器向透镜内适当抽水可模拟远视眼的成像及矫正。水量改变的不同可模拟近视和远视程度的不同，相应矫正的眼镜度数也不同。

5 教具优点

本教具解决了物理和生物课程中解释人眼成像原理时无法实现的变焦透镜作用，较高程度的模拟了晶状体的调节和成像。弥补了教材没有变焦水透镜而无法模拟人眼成像的缺陷，使得教学过程更形象、直观。

取材简单，普通的PVC管就可，耗材少，效果好。金属墙卡的配合使用既能固定又方便安装在光具座上来回移动。透明弹性膜又可以及时更换，橡皮管与针筒配合使用可以任意调节透镜焦距。实现了低耗、高效的作用，适用于中小学实验教学。用该水透镜探究视力矫正实验时可以直接结合近视和远视眼镜进行模拟矫正，贴近生活，方便实用。水透镜与生物模型的结合，充分显示了人眼成像的原理和过程。

将本教具应用于教学，不但解决了教学中的难点，增强了学生主动保护眼睛的意识，还能培养学生的思维能力、动手能力和创新能力，落实了新课程中培养学生科学素养、实践能力和创新精神的教学理念。因此，在新课程的教学实践中，教师除了利用好多媒体网络、实验室和图书馆等教学资源的同时，还应该重视自制教具、学具的设计和制作，提倡教学实验的低成本、低损耗和简单易行，不断丰富教学资源，推进初中新课程改革的深入实施。

（使用本教具上的《照相机与眼睛 视力的矫正》参加2011年江苏省初中物理实验教学课评比获省一等奖。该教具获得2012年苏州市自制教具评比一等奖。本教具已申请国家专利，专利号201220413002.X。）

（栏目编辑 王柏庐）