利用水透镜模拟眼睛变焦机能的实验创新

张华东

（浙江省宁波市慈溪市慈吉中学，浙江 宁波）

在华师大版八下科学眼的成像原理的教学中，针对人眼成像原理、视力的矫正等课程内容，由于条件限制，很难将人眼晶状体变焦调节的作用模拟出来，对于思维能力还有待提升的初中生来讲，想要从逆向思维角度把正向结论写出来往往都具有很大难度，而使用水透镜的模拟实验就能够很好地解决这个问题，可以轻松完成后续近视眼、远视眼的教学。

一、水透镜的制作

1.所用材料

直径5cm的PV悦管、容积20 ml的注射器、输液管、透明弹性膜、橡皮筋、黑色电工绝缘胶布、PV悦胶水、细砂纸、酒精灯、大铁钉、美工刀。

2.制作方法

（1）用切割机从直径为5 cm的PV悦管中锯下长度为3 cm的一段（该操作教师事先完成），用细砂纸将两端磨平。

（2）用烧红的大铁钉在水管中点钻一个大小合适的小孔；用PV悦胶水把一截输液管粘在小孔中，放置一天，用美工刀把PV悦管内过长的输液管斜切。（方便后续注水时赶出管内空气）

（3）在PV悦管两端分别用弹性橡皮膜覆盖，用橡皮筋扎紧，再用黑色电工绝缘胶布把PV悦管两端紧紧缠住，可有效防止水透镜漏水。

（4）用输液管前端较细的一部分从已经连接好的输液管中伸入，再借助注射器注水并赶尽水透镜内的空气，再接上容积为20ml的注满水的注射器，就制成了一个水透镜。

3.注意事项

（1）根据不同组学生的制作比较，水透镜的直径不宜过小，也不宜过大。比如一组学生用2 cm的水管制成的水透镜，在实验中现象不是很明显，效果没有大的透镜好；也有同学做了10 cm的超大水透镜，注射器容积为50 ml，但凸度变大时，成像变形明显。我们也查阅了资料，某教师在组织学生开展相应的模拟实验时，就制作了一个7.5 cm的大水透镜，在将其放置于水平桌面上时，由于水透镜膜面的上下部分受水的压强会出现较大差异，进而导致膜面出现显著下垂的情况，使得其透镜最终成为垂直方向变焦的透镜。

（2）利用水透镜模拟眼睛变焦机能模拟过程中，注射器的容量大小应真正做到与透明弹性膜形变的恰当匹配。若注射器容量过大，在模拟实验中往往会给连续改变水透镜焦距带来诸多不便，且极易超过薄膜弹性的承受范围，但是若注射器的容量过小，也无法实现透明弹性膜凹凸性的合理改变。因此，为了使整个实验顺利进行，应确保注射器的容量大小可以与透明弹性膜的形变之间做到恰当匹配。

（3）在进行注射器活塞的推或者是拉动时，用力要始终保持平稳，以及缓慢的速度。总之，为了确保利用水透镜实现眼睛变焦机能的模拟实验的顺利进行，教师在组织学生制作教具和实验步骤时，应对上述几点做出综合考虑与准确把握。

二、利用水透镜模拟眼睛变焦机能的课堂实践探究

1.感受焦距可变的透镜

学生利用各组自己制作的水透镜，进行实验初步探究；向水透镜注水，可观察到橡皮膜往外凸出，透镜的凸度变大；往外抽水，可观察到橡皮膜凸出程度变小，透镜的凸度变小；借此来直观感受透镜焦距的改变。

2.探究眼球的调节原理

第一步，将水透镜用细铁圈固定，把细铁圈直接插入光具座，然后按照标准要求进行实验器材的摆放，对LED光源、光屏做出合理调节，使三中心始终处于相同高度；第二步，让LED光源离透镜较远，对光屏作出恰当调节，使得LED光源清晰的像能够呈现于光屏上，模拟人眼看清远处的物体；第三步，固定住水透镜、光屏，模拟人眼的晶状体和视网膜的位置不会发生改变；第四步，把LED光源向水透镜移近，发现光屏上的像变模糊了，用注射器向水透镜注水，发现光屏上的像又变清晰了，模拟人眼看完远处的景物，改看近景时的调节机制，有效解决了教学难点。

3.实验说明

水透镜其实就相当于晶状体，在将适量的水往水透镜注入或抽出时，水透镜的凸度会逐渐改变，对光的偏折能力也会随之改变，焦距也逐渐改变，从某一层面来讲，这与睫状体收缩或舒张、晶状体凸度变化的道理其实是相同的。光屏就相当于人体视网膜。在整个实验过程中，像距是一直保持不变状态的，出现变化的只有物距，这一特征与眼睛是相同的。通过这一模拟实验可以了解到：当睫状体处于放松状态时，晶状体通常都比较薄，眼睛可以清楚地看见远处的物体；而睫状体在逐渐收缩时，晶状体也会随之逐渐变厚，眼睛便可以清楚地看见近处的物体。

综上所述，广大初中科学教师在实践教学中应正确认识到，通过运用水透镜来进行眼睛变焦机能模拟，不仅可以突破教学难点，也能够让学生在具体操作、学习探究中树立主动保护眼睛的良好意识，也有助于思维、动手与创新能力的进一步培养，为此，在实际授课中，教师除了要重视多媒体等先进教学手段的运用之外，也要重视自制教具、学具的设计与制作，以此来优化教学环节。