自制变焦水透镜演示晶状体的调节作用

2021-03-25张来萌孔德周

生物学通报 2021年6期

张来萌孔德周

（山东省曲阜市杏坛中学山东曲阜 273100）

初中阶段的生物学教材中，介绍了“视觉的形成”这部分知识，而且均设置在7年级下册。在这部分知识中，人眼在观察远、近物体时晶状体曲度的变化，近视眼的成因和矫正方法，是本节课的难点。究其原因，首先是因为在现有的眼球模型中，晶状体的曲度是不可改变的，仅展示了晶状体的形态和在眼球中的位置，不能演示物像在视网膜上的成像情况。其次，物体通过晶状体在视网膜上成像，其原理是“凸透镜成像”，而学生到8年级学习物理学时，才学习这部分知识。因此，在没有学习“凸透镜成像”原理及规律的前提下，教师在引导学生学习这部分知识时，利用图片或视频进行讲解，或利用多片透镜演示晶状体的调节作用，但不论用哪种方法，均不能很好地展现晶状体的曲度变化动态过程，很难让学生真正地理解晶状体的调节原理。

为此，笔者设计了这种曲度可变化的水透镜（简称变焦水透镜），如图1、图2。其中，a、b、c 用厚度为3 mm 亚克力板制作，d为去除针头的静脉注射器末端软管，e 为双层PVC 膜，f 为固定螺丝与螺母。

图1 变焦水透镜

图2 制作变焦水透镜主要部件

1 制作方法

1.1 材料厚度为3 mm 的亚克力板、PVC 膜、螺丝与螺母5 套、去除针头的静脉注射器细软管（图2中的d，以下简称“注水软管”）、20 mL 注射器。

在材料的选择上，用于制作变焦水透镜镜面的材料是决定此装置是否成功的关键。笔者尝试用过乳胶手套、塑料袋、保鲜膜等多种材料，乳胶手套弹性好，但透光性不足；塑料袋和保鲜膜透光性好，但弹性不足。“波波球”的膜是一种PVC 膜，弹性足，透光性也很好，满足了制作变焦水透镜的要求。

1.2 制作步骤 ①用游标卡尺测量眼球模型中晶状体模型的尺寸，用亚克力板、制作3 个圆环：外径65.5 mm、内径44 mm 的圆环2 个（图2a 和2 c），外径58.5 mm、内径44 mm 的圆环1 个（图2b）。为方便组装，在3组亚克力圆环上，均预留相同直径和孔距的固定孔。在较小的圆环上，在避开固定孔的位置，以过圆心的方向，用矬刀加工1 个小的“一”字形豁口，预留放置注水软管（图2d）。用亚克力板加工圆环有2个优点：1）材料易于加工；2）亚克力板表面平整，有利于2 层PVC 膜的密封。当然，不同的眼球模型，晶状体尺寸可能不同，按实际情况适当调整。

②在波波球球面上，剪取直径为60 mm 的圆形PVC 膜2 个（图2e）。未充气的波波球，其2 层膜是直接贴合在一起的，可在未充气前，用剪刀一次性剪下2 张PVC 膜。

③从下到上，依次按照图2中部件a、部件b、第1 层PVC 膜、部件d（注意放置在部件b 的豁口处，为防止此处漏水，建议在豁口位置，2 层膜之间及注水软管的表面涂抹补胎胶水）、第2 层PVC膜、部件c 的顺序排列好（图3），注意使3 个亚克力板上的固定孔相互对齐，然后用螺丝及螺母（图2f）紧固，将2 层PVC 膜压实，防止注水后渗水。连接注射器后，变焦水透镜即制作完成，可直接固定在眼球模型晶状体处。

图3 各部件排列顺序

2 使用方法

变焦水透镜焦距变化的原理：利用注射器向变焦水透镜内注水，水会进入2 层PVC 膜间的空腔内（以下简称“透镜腔”），PVC 膜由于水的压力及其自身弹性的原因，就会形成凸透镜。向透镜腔内注入较少水，PVC 膜形变较小，球面曲度较小，焦距较大，对光的折射作用较小，会聚作用较弱；若继续向透镜腔内注水，PVC 膜向外形变更大，进而使球面曲度更大，焦距更小，对光的折射作用更大，会聚作用更强［1］（图4）。

图4 变焦水透镜工作原理

2.1 实验前准备将变焦水透镜放置到眼球模型中的晶状体位置，注水口朝上，以便在开始注水阶段排出进入透镜腔的空气。用注射器吸取50℃左右的温水15 mL（温水可加大PVC 膜的弹性），注射器出水口朝下，连接注水软管，然后向透镜腔内注入6～8 mL 温水。开始阶段，注水软管内的空气会在水的推动下进入透镜腔，由于密度原因会停留在透镜腔的最上方，此处正好就是注水口处，可反向拉动注射器活塞，这样就将透镜腔内的空气全部抽到了注射器内，这时，2 层PVC膜连同膜之间的水就形成了凸透镜。抽入注射器内的空气，同样由于密度原因会停留在注射器上方，即活塞位置，这样不论是再次注水还是抽水，空气均不会再次进入透镜腔内。

2.2 模拟人眼视网膜成像特点在离变焦水透镜20 cm 处，点亮光源（笔者利用的是高亮字母“F”光源），调整变焦水透镜曲度，即可在眼底位置（视网膜上）呈现一个倒立、缩小的实像（图5）。

图5 通过变焦水透镜成清晰物像

2.3 模拟人眼观察远近物体时晶状体曲度的动态变化将光源向更远的位置移动，此时视网膜上的像变模糊，适当抽回少量水，就可重新使视网膜上的像变清晰。在抽水过程中，提醒学生注意水透镜镜面的曲度变化。此过程演示了在看远处物体时，晶状体的曲度变化过程。

将光源向更近的位置移动，此时视网膜上的像再次变模糊，适当注入少量水，就可重新使视网膜上的像变清晰。同样，在注水过程中，提醒学生注意水透镜镜面的曲度变化。此过程演示了在看远处物体时，晶状体的曲度变化过程。

2.4 模拟假性近视的原因及矫正方法在物像清晰时，向水透镜注入3～4 mL 温水后，视网膜上的物像变模糊（图6）。注水前提醒学生注意水透镜镜面曲度变化，学生可很容易地观察到，此时晶状体的曲度比原来的曲度大，向学生说明这是假性近视患者的晶状体状态，曲度比正常人的晶状体曲度大。在观察远处物体时，假性近视患者的晶状体，由于曲度无法调节到正常程度，因此，在视网膜上不能呈现清晰的物像，从而看不清远处物体。进一步演示近视眼的矫正方法，即在晶状体前放置200 度左右的近视镜（让学生用手感知近视镜镜片的厚度，对比边缘部分镜片厚度和中心部分的镜片厚度，明确近视镜的本质是凹透镜），视网膜上的物像立刻变得清晰［2］（图7）。