“眼睛与眼镜”演示仪的设计与制作

毛银芹 冯 洁 李红梅 贾 闯 庞运超

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

“眼睛与眼镜”这节内容不仅是凸透镜成像规律的拓展,更是初中光学知识的重要应用,在初中光学教学中占有重要地位．[1]曲光不正的成因及矫正方法是本节的重点及难点,单靠教师讲解或简单实验演示是不足以帮助学生掌握重点并突破难点的,[2]然而在实际的课堂教学中,受实验室现有器材的限制,实验过程“以讲代做”的现象难免使学生对知识产生“隔靴搔痒”的窘迫体验．与此同时,如何把物理知识与生活体验巧妙结合,亦是助推学生主动参与课堂、投入探究的要点．

基于此,文章在国内学者对“可变焦水透镜”[3]的研究成果上,设计“模拟眼球成像光路”和“大脑反应图像电路”,自制了“眼睛与眼镜”演示仪．该实验教具能模拟眼睛成像及视力矫正,使用光感元件来模拟视网膜上的细胞组织接收光信号,电路部分模拟视神经,将视网膜上所成的像传递到大脑,大脑对成像信息进行处理,反映出物像的过程．该教具可以直观地显现出光路并且形象地模拟出大脑反应物像的原理,让学生更容易理解本节教学内容．

1 演示仪的设计与制作

1.1 实验器材

JD850绿光激光手电2个、长度15 cm磁吸式柱状凸透镜和凹透镜各1个、直径75 mm PVC直管和卡子各1个、200 ml注射器1支、输液管1根、氢气球若干、感光元件3个、USBled蓝色和红色灯带各1条、导线和双面胶若干,模糊田野图片和清晰田野图片各一张、纳米喷雾补水仪1个、钉子和铁皮若干,软木板和白色塑料泡沫若干备用．

1.2 水透镜的制作

图1 水透镜实物图

用钢锯把直径为75 mm的PVC直接管锯成与直径为75 mm带钉卡子的PVC水管相同宽度,用砂纸打磨其切面,然后用电钻在PVC直接管和带钉卡子的PVC水管相应位置钻一样大的孔,钻好孔之后用氢气球包裹住PVC直接管(先用双面胶在PVC管上粘一圈,氢气球包裹住之后再在外围用透明胶带围绕着PVC管上粘一圈.这样可以很好地保证水透镜的密封性),把带钉卡子的PVC水管固定在被氢气球包裹住的PVC直接管外围,然后把输液管插入PVC管上的钻孔,用热熔胶封口．再把注射器与输液管连接,一个完整的水透镜就做好了，如图1所示.

1.3 实验设计与制作

“眼镜与眼镜”演示仪设计图如图2所示,由两部分构成:模拟眼球成像光路A、模拟大脑反应图像电路B．其中,模拟眼球成像光路系统如图3所示,自制可变焦水透镜通过一段输液管与注射器相连,水透镜的左侧是激光手电所模拟的物光源及铁质透镜台,铁质透镜台用以放置磁吸式柱状透镜;水透镜右侧是用塑料泡沫制作的模拟视网膜结构,生烟盒置于水透镜和模拟视网膜结构之间．

图2 “眼睛与眼镜”演示仪设计图

图3 模拟眼球成像光路图

模拟大脑反应图像电路结构如图4所示,模拟视网膜结构上适宜位置嵌有3个感光元件,感光元件通过导线与电箱相连．电箱内的电路图如图5所示,R1、R2、R3分别对应图4中的3个感光元件,R1和R3并联,再和L1串联;R2和L2串联,再和R1、R3整体并联．L1为红色灯带,L2为蓝色灯带．

图4 模拟大脑反应图像电路

根据设计图制作出的实物图如图6所示,在模拟眼球成像光路这一结构外围用软木板制成密闭暗箱并制作暗箱门．暗箱右侧红色灯带L1下方粘贴有模糊的田野图,蓝色灯带L2下方粘贴有清晰的田野图,两条灯带均绕制在对应田野图4条边的外围．

图6 “眼睛与眼镜”演示仪实物图

2 实验操作与演示

打开暗箱门,点燃生烟盒中的烟香或使用喷雾器,在暗箱中开启激光源笔,合上暗箱门,开启电源．

2.1 模拟眼球成像的3种情况

(1) 正常眼成像.

如图7(a)所示,通过注射器向水透镜中注水或抽水调节透镜的突起程度,使通过水透镜的光线恰好汇聚在视网膜上,即光线汇聚于光敏元件R2上．此时R1和R3无光线照射,所在支路断路,故L2蓝灯亮起,L1不发光．L2灯带对应清晰的田野图,表示人眼看到清晰的图像．

(2) 近视眼成像.

如图7(b)所示,通过注射器向水透镜中注水或抽水调节透镜的突起程度,使通过水透镜的光线汇聚在视网膜前方,光线通过汇聚点后继续向后传播,分别照射在R1和R3上．此时光敏元件R2上无光线照射,所在支路断路,故L1红灯亮起,L2不发光．灯带L1对应模糊的田野图,表示人眼看到模糊的图像．

图7 眼睛成像演示的3种情况

(3) 远视眼成像.

如图7(c)所示,通过注射器向水透镜中注水或抽水调节透镜的突起程度,使通过水透镜的光线在视网膜前和视网膜上无汇聚点,两条光线分别照射在R1和R3上．此时光敏元件R2上无光线照射,所在支路断路,故L1红灯亮起,L2不发光．L1灯带对应模糊的田野图,表示人眼看到模糊的图像．

整个过程的展示是为了跟学生说明当外界物体发出的光线(或者反射的光线)最终会聚在视网膜上时,我们就能看到一个清楚的像;如果外界物体发出的光线(或者反射的光线)聚焦在视网膜前或视网膜后,那么我们将看到一个模糊的像．

2.2 近视眼和远视眼矫正演示

(1) 近视眼矫正.

近视眼即图7(b)所示情况,成像在视网膜前．矫正近视眼时,把磁吸式凹透镜放在水透镜和光源之间的某一个位置(靠近水透镜),利用凹透镜调节光线让其汇聚到视网膜上,电路部分蓝灯亮,可以看到清晰的物体,如图8所示情况．

图8 近视眼矫正

(2) 远视眼矫正.

远视眼即图7(c)所示情况,成像在视网膜后．矫正远视眼时,把磁吸式凸透镜放在水透镜和光源之间的某一个位置(靠近水透镜),利用凸透镜调节光线让其汇聚到视网膜上,电路部分蓝灯亮,可以看到清晰的物体,如图9所示情况．

图9 远视眼矫正

3 总结

由于光源、水透镜和视网膜所在的位置不能灵活地移动,为了能达到最佳的效果,教师在演示之前,应通过调试事先调节好透镜的焦距．该演示仪的设计,可以增强演示实验的可见度,清晰地给学生模拟眼睛成像的光路图和大脑反应物像信息的过程,实验的演示不仅能给学生提供对所研究物理现象的感性材料,培养学生的观察能力,而且还可以使学生获得一定的实验技能,培养学生的实验能力,有利于打造高效的物理课堂．