水透镜的制作及应用

高春丽

摘   要：文章通过阐述水透镜的制法，让读者了解到水透镜制作的材料、步骤、方法、要点及注意事项;通过阐述水透镜在凹、凸透镜对光的作用、凸透镜成像规律、眼睛的视物原理、近视眼的成因及矫正、远视眼的成因及矫正等教學中的应用，让读者了解到STEM SOS教学模式中初中物理课堂教学中的基本教学模式。

关键词：水透镜;凸透镜;初中物理课堂教学;STEM SOS教学模式

1  了解STEM SOS教学模式

STEM SOS是指美国和谐公立学校开发的STEM课程，他们将基于项目的学习法和探究式学习法结合起来，并命名为“STEM学生登台秀（SOS）”。STEM SOS模式的目标是“在PBL项目扩展学生知识面的过程中，持续关注以学生为中心的规范教学方法”[ 1 ]。

2  学生在实践中的发现与研究成果

透镜在初中物理光学中占着极其重要的地位，其中凸透镜的成像规律、眼睛的视物原理等是初中物理光学部分的难点及重点。在教学中发现了有诸多的不便解决的问题，就此有许多老师做了许多研究，在这些研究中就以水透镜的应用最受欢迎。但目前所知的各种方法制作而成的水透镜存在着这样或那样的不足。本文就笔者在“基于STEM SOS模式下的初中物理规律课堂教学研究与实践”课题研究中，记录下来的学生的一些发现，师生共同总结得出的水透镜制作方法与实践应用做些阐述，以突破凸透镜的成像规律、眼睛的视物原理等教学难点。

2.1  水透镜的制作

在透镜的作用、凸透镜的成像规律、眼睛的视物原理等学习中，为了便于研究，同学们提出需要一个能变焦的透镜，然后上网查看，发现水透镜能变焦。水透镜是指在一个透明的薄膜内装有水，以水做为折射介质的透镜。它的主要特点是通过调节薄膜内水量的多少，可以调节透镜的焦距。

网络上有关水透镜的制作方法多种多样，同学们试过按多种方法制作水透镜，发现它们有以下的特点：不易注水，注水时膜内有大量气泡不易排出，透光性不好，弹性不好不易变焦，密封性不好极易漏水，当注入较多的水时透镜上下厚度不同、焦距不同等。为了更好地完成实验探究，同学们查阅大量资料，多次实践，最后定下了用3D技术打印形成水透镜主体，改良泉州市泉港区教师进修校郭卫东老师版本的水透镜，最后还发现制成的水透镜不仅可以是能变焦的凸透镜，甚至还可变成一凹透镜。

2.1.1  基本组成

水透镜的主体是由光敏树脂材料通过3D打印机依据设计好的尺寸打印而成。但打印过程要注意光照强度，若光照太强，则水透镜太碎，容易损坏;若光照不足，水透镜太软，则透明膜很难装上，即便装上也极易漏水。水透镜的膜选用了无油超薄安全套，这种安全套具有很强的弹性，可以更大范围地改变透镜的焦距，同时因为它是无油的，透光性非常好，不会受油膜的影响而使透光能力大打折扣。

水透镜不宜太大，太大则无法保证上下焦距相同;不宜太小，太小则成像效果不好。也不宜太厚，太厚则透光差;不宜太薄，太薄则不易安装。多次实践后最后设计成一中空管与一圆环相连，另配两个套环（外形如图1）;选用的尺寸如下：管长118mm，上端圆环厚4mm，内径60mm，外径72mm，凹槽宽4mm，双面槽深各2mm。

2.1.2  组装

①打孔制盖：选择外壳弹性较好的矿泉水瓶，旋下瓶盖，按透镜入水管的孔径打孔。然后把透镜入水管插入，选热熔胶封好孔间的缝隙，如图2所示。

②组装各部件：先用水洗过无油超薄安全套（安全套因为是无油型，摩擦力较大，太用力容易破，不用力又很难套入，而水洗过后减少了摩擦力，方便套入。切不可用洗洁精，洗洁精氧化安全套，使安全套变成乳白色，而无法透光）。然后把整个安全套套入内圈;接把外圈按相应孔位按入，压紧。

③装水：把套好膜的透镜倒放，置于水龙头下，打开水龙头让水直接流入，观察膜内水量，当膜内不再进水时，停止注水，轻压透明膜，排出膜内空气。接着用手按住入水口，把水透镜装入已装有九分满的水的矿泉水水瓶中，旋紧瓶盖，如图3所示。

3  水透镜在教学中的应用

笔者在“基于STEM SOS模式下的初中物理规律课堂教学研究与实践”课题研究中，提出了这种模式下的课堂教学的基本模式，如图4所示。

下面有关水透镜在教学中的应用，都是基于这一模式，但由于篇幅的限制，主要描述学生在课堂中汇报的实验探究方案。

3.1  凹、凸透镜对光的作用

3.1.1  凹透镜对光的发散作用

步骤1.旋松瓶盖，透镜中的水在大气压的作用下，被挤出到瓶内，当透镜形成中间薄边缘厚时，迅速旋紧瓶盖;

步骤2.让一束平行光垂直于透镜射入，观察折射光;

步骤3.轻用力挤压瓶身，使瓶中水进入透镜中，让凹透镜变厚，让一束平行光垂直于透镜射入，观察折射光;

步骤4.重复步骤3多次。

3.1.2  凸透镜的焦距与凸起程度的关系

步骤1.透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2. 让一束平行光垂直于透镜射入，在透镜的另一侧立一与透镜等高的光屏，移动光屏，当光屏上形成最小最亮的光斑时，用刻度尺测出光屏到透镜光心的距离，并记录;

步骤3.轻用力挤压瓶身，使瓶中水进入透镜中，让凸透镜变厚，重复步骤2;

步骤4.重复步骤3多次。

3.2  凸透镜成实像的大小与焦距的关系

步骤1. 透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2.在透镜的一侧立一形状为“F”的发光二极管，另一侧立一光屏，调整三者高度，使它们的中心在同一高度;移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像，用刻度尺量出像高及像距，并记录;

步骤3.轻用力挤压瓶身，使瓶中水进入透镜中，让凸透镜变厚，在光源位置不变的情况下，移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像，用刻度尺量出像高及像距，并记录;

步骤4.重复步骤3多次。

3.3  眼睛的视物原理

3.3.1  正常眼看近处的物体

步骤1. 透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2.在透镜的一侧立一形状为“F”的发光二极管，另一侧立一光屏，调整三者高度，使它们的中心在同一高度;移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤3.向透镜方向移动光源，观察光屏上的像，发现像变模糊了;用力挤压瓶身，使瓶中水进入透镜中，让凸透镜变厚，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤4.重复步骤3多次。

3.3.2  正常眼看远处的物体

步骤1. 透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2.在透镜的一侧立一形状为“F”的发光二极管，另一侧立一光屏，调整三者高度，使它们的中心在同一高度;移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤3.向远离透镜方向移动光源，观察光屏上的像，发现像变模糊了;旋松瓶盖，使透镜中的水流回瓶中，让凸透镜变薄，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤4.重复步骤3多次。

3.4  近视眼的成因及矫正

步骤1. 透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2.在透镜的一侧立一形状为“F”的发光二极管，另一侧立一光屏，调整三者高度，使它们的中心在同一高度;移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤3.向透镜方向移动光源，观察光屏上的像，发现像变模糊了;选择合适的眼镜，立于透镜前，使光屏上形成一个清晰的像，如圖5;

步骤4.重复步骤3多次。

3.5  远视眼的成因及矫正

步骤1. 透镜中装入适量的水，使透镜形成中间厚边缘薄的凸透镜;

步骤2.在透镜的一侧立一形状为“F”的发光二极管，另一侧立一光屏，调整三者高度，使它们的中心在同一高度;移动光屏，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤3.向远离透镜方向移动光源，观察光屏上的像，发现像变模糊了;选择合适的眼镜，立于透镜前，使光屏上形成一个清晰的像;

步骤4.重复步骤3多次。

4  所制的水透镜还存在的问题

自制而成的水透镜方便了实验探究，但是这水透镜还存在一些问题，目前仍未解决。有如下问题：

（1）3D制成的外壳光照度不好掌握，光照时间太长，外壳太脆，极易断裂。光照时间太短，外壳柔韧度太好，卡不紧膜;

（2）选用安全套做为外膜，弹性好、透光强，但易氧化，每个只能使用3到4次;且易破，不易组装。

参考文献：

[1][美]阿尔帕斯兰·沙欣. 基于实践的STEM教学模式-STEM学生登台秀[M].侯奕杰，朱玉冰译.上海：上海科技教育出版社，2016.