三种“视力矫正”探究方案的对比研究

2018-07-12

物理之友 2018年6期

(1．江苏省常州外国语学校，江苏　常州　213000；2．江苏省常州市第二十四中学,江苏　常州　213000)

学生在学习“照相机与眼球视力的矫正”时会有如下疑问:看清远近不同的物体时，人眼如何调节晶状体?教材提供的实验方案比较抽象,学生理解起来比较困难。为解决这问题,笔者基于苏科版物理教材提供的探究方案,借鉴、设计了另外两种探究方案，在教学实践的基础上,将三种探究方案对比、分析如下。

1　苏科版教材提供的探究方案

用凸透镜模拟晶状体、用光屏模拟视网膜。在凸透镜前放置一个近视眼镜(也可以用近视镜片或者凹透镜),调节蜡烛和光屏的位置,使像清晰地成在光屏上(如图1甲)。

图1

摘去眼镜,发现光屏上的像不清楚了,这是模拟近视眼看不清远处物体的情况。移动光屏到图1乙中的虚线位置,又能够清晰成像，说明近视眼看远处物体时成像在视网膜之前。笔者建议再增加丙、丁两个步骤,使探究方案更容易理解。通过板书或者PPT课件,将凸透镜和光屏用笔相连,模拟人眼的核心结构。再回顾两个实验步骤:帮助学生认识到近视眼看不清远处的物体,是因为成像在视网膜之前(如图1丙),通过佩戴凹透镜,使光被发散,从而使像向后移到视网膜上(如图1丁)。

评价：(1) 教材提供的探究方案操作最简便,不需要事先规定近视镜片的度数和光屏移动距离。由于本方案是先加近视镜片,调节成像清晰,再撤去镜片移动光屏寻找像的位置,相当于给定了近视镜片的度数,让学生探索光屏移动的方向和距离,不需要给自主探究增加额外的限定条件。

(2) 本方案的不足之处在于难以让学生迅速、充分理解实验设计意图，因为本实验是反向设计,光屏要前后多次移动,所以学生在将其类比到人眼时会遇到较大的困难,需要教师及时介入,并进行示范讲解。

2　用两只焦距不同的凸透镜模拟探究

2.1　模拟探究人眼看远近时对晶状体的调节

选用两只焦距不同的凸透镜,组装两套实验装置对比探究。固定凸透镜和光屏的位置,来模拟人的眼球。通过移动蜡烛的位置,发现表面更凸、焦距更小的凸透镜可以看清近处的物体,而表面稍平、焦距更大的凸透镜可以看清远处的物体(如图2)。

图2

将观察到的现象类比到人眼的调节中,即可认为：当人眼看近处的物体时,需要通过睫状肌的调节,使晶状体变得更凸、焦距更小、会聚能力更强；当人眼看远处的物体时,需要使晶状体变得稍平、焦距更大、会聚能力稍弱。

2.2　模拟探究近视眼的缺陷及矫正

如图3甲所示,由于近视眼看清近处而看不清远处的物体,因此用图2中焦距较小的凸透镜模拟其晶状体,调节仪器实现看清近处物体的条件。

图3

将物体移远,发现光屏上的像模糊了,这是模拟近视眼看不清远处物体的情况。再通过移动光屏或者直接用白纸接收,发现远处物体的像成在图3乙的虚线位置,即视网膜之前。添加一个近视眼镜镜片(或合适的凹透镜),发现像又能清晰成在原位置的光屏上，如图3丙所示。

评价：(1) 本方案选材容易,通过模拟实验，突破了人眼看远近时对晶状体调节的难点,还可以用两只焦距不同的凸透镜分别模拟近视眼和远视眼,如此一一对应,方便学生理解两种不同的情况。

(2) 用两只不同的凸透镜模拟人眼看远近时晶状体的状态易为学生所理解，在这个认识的基础上用其中一只凸透镜模拟近视眼,还可以用另一只凸透镜模拟远视眼,过渡顺畅。在模拟近视眼的矫正环节,先确认其成像的位置、再佩戴凹透镜将其矫正到视网膜上,是正向的实验设计,符合学生的认知规律,学生在进行知识建构时更加高效。

(3) 本方案的困难在于两个凸透镜的选择。为模拟人眼晶状体到视网膜距离不变的特征,就要固定像距,使这个像距均位于两只透镜的一倍焦距到两倍焦距之间。而学校实验室装配的凸透镜焦距通常为5cm、10cm等,除非有焦距合适的凸透镜,否则很难满足这个要求。而且由于实验室光具座(或实验桌)长度有限,若选用的凸透镜焦距过长,很难在实验桌尺度内完成实验。

3　用水透镜模拟探究

3.1　水透镜的制作方法

如图4所示,甲是凸透镜外壳、乙是圆珠笔芯、丙是橡胶软管、丁是注射器,此外还要用到保鲜膜。

图4

图5

首先取下凸透镜的镜片,用钻头在上部钻一个小孔,通过801胶水将笔芯固定好。用注射器吸入适量的水,接好软管,并将活塞向前推,使水充满软管,再将软管连接到乙上。

在甲的一边涂上801胶水,拉直保鲜膜后粘牢,然后将其平放后装入足量的水。在另一侧涂上801胶水,拉直保鲜膜后,再次粘牢密封。通过推拉注射器的活塞,改变甲中的水量,可以改变水透镜的焦距(如图5)。

3.2　模拟探究人眼看远近时对晶状体的调节

如图6甲所示,将蜡烛放在近处,调节水透镜和光屏,使像清晰成在视网膜上,模拟人眼看清近处物体的情况。

再将物体适当移远,发现光屏上的像不清晰,通过适当向外抽水,可以使像重新成在光屏上,如图6乙所示。通过探究,可以认识到人眼看远处物体时,需要使晶状体变平、焦距变大、会聚能力变弱。

图6

3.3　模拟探究近视眼的缺陷及矫正

类似图3的实验方案,调节通过水透镜看清近处物体的位置,再将物体移远,移动光屏确定像的位置。再佩戴凹透镜使像成在光屏原来的位置。

评价：(1) 用水透镜模拟晶状体,由于厚薄可调,无论是探究晶状体的厚薄调节，还是视力缺陷的矫正,都最贴近实际情况,探究实验的真实度高、可信性强。

(2) 水透镜的最大困难在于取材和制作，覆盖透镜的膜过厚的话,通过推拉活塞,凸透镜的焦距变化不明显,实验效果就不好；膜过薄的话,通过推拉活塞,其焦距改变明显,但也特别易破,在组装和实验的过程中,需要特别小心。因此,用水透镜进行实验探究,效果更好,贴近实际情况,但是对取材和制作的要求较高,需要老师付出大量的精力制作器材。