“雙變”水透鏡的制作及應(yīng)用＊

趙金菊 王愛生

（吉林省前郭縣蒙古族中學(xué)，吉林 前郭 131100）

所謂的“雙變”水透鏡是指，利用常見的生活用品自制一個凸凹形狀可變化的、焦距長短可變化的透鏡.這種自制的“雙變”透鏡，不僅可方便的實現(xiàn)初中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》透鏡部分的幾乎所有實驗，而且還會通過“動”的透鏡來演示透鏡凸凹形狀的連續(xù)變化和透鏡焦距長短的“無級”改變，彌補現(xiàn)有實驗室只提供固定形狀的透鏡所帶來的單一表象不足，并通過“雙變”透鏡凸、平、凹形狀的連續(xù)改變讓學(xué)生直觀生動地感受到事物的變化是從量變到質(zhì)量的哲學(xué)思想.

1 實驗裝置與制作

“雙變”水透鏡主體裝置及對裝置各部件的介紹如圖1所示.

制作過程：（1）透鏡支架的制作.用鋼劇條在直徑是5cm塑料管上垂直截取3cm長的一圓環(huán).用電鉆在圓環(huán)管壁的中間上對稱地打2個小孔.把自行車氣門芯的有孔螺絲管通過小孔按裝上，螺絲管擰好后露出1cm，剩余的部分，再用鋼鋸條截掉，用來連接乳膠管接頭.

（2）固定橡膠膜.在圓環(huán)外壁上距兩端邊緣1cm處，用鋼鋸條各拉出一個小的約2mm寬的一周凹槽，以便在凹槽處用橡皮筋固定透明橡皮膜，以保證裝置的密閉性.取比圓環(huán)直徑大的透明橡膠皮兩張，分別包裹圓環(huán)的兩端，用橡皮筋套緊.為了使橡皮膜在充水和排水時，能夠形成規(guī)范的凸凹形狀及密閉性好，再取長方形的薄鐵皮約1cm×34cm，兩端鉆有可通過螺絲的小孔，小孔相距約31cm（就是比塑料圓環(huán)周長31.14cm的稍短一些）.用螺絲將兩孔連接起來形成套環(huán)，把這2個圓環(huán)套環(huán)分別套在塑料圓環(huán)兩端的橡皮膜上，并將螺絲擰緊，至此橡皮膜固定完畢.

（3）充水封閉裝置.在塑料圓環(huán)上對稱的2個露出的自行車氣門芯的螺絲管上，分別套上乳膠管，1個套上5cm長，并夾上止水夾；另1個套上20cm長，也夾上止水夾，并與注射器相連.充水時，將2個止水夾夾在氣門芯的金屬管上，并通過注射器往“雙變”透鏡中充水，充滿后，將2個止水夾在放回乳膠管上，這樣就形成一個穩(wěn)定封閉的“雙變”透鏡了.

圖1

（4）附屬容器的制作.為了充分發(fā)揮“雙變”透鏡的作用，我們還自制了簡單的附屬容器，就是用玻璃粘成的、2個帶有可以活動蓋的長方體容器，其大小為15cm×15cm×20cm.

2 “雙變”水透鏡的應(yīng)用

由于“雙變”透鏡具有可變性，因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)透鏡教學(xué)中的多個演示實驗，學(xué)生對“變化多端”的“雙變”透鏡的欣賞，會讓他們感受到透鏡實驗魅力無窮、興奮不已，現(xiàn)說明如下.

（1）演示凸、凹透鏡的形狀特征.首先，按著充水封閉裝置的方法，先將水充到2個橡皮膜相平，即可制成的平行“玻璃磚”.讓學(xué)生觀察2個面是相平.然后，打開注射器這端的止水夾2，繼續(xù)用注射器加水，使橡皮膜凸起.讓學(xué)生觀察這種透鏡是中間厚、邊緣薄是凸透鏡.最后，用注射器向外吸水，使橡皮膜向內(nèi)凹陷.讓學(xué)生觀察這種透鏡中間薄、兩邊厚是凹透鏡.

（2）演示凸、凹透鏡對光線的作用.首先，在兩個附屬的玻璃長方體容器中，點燃蚊香，充滿整個空間，蓋好蓋子備用，主要用來顯示光線通過透鏡前后的傳播路徑.然后，將充有水的橡皮膜平的“雙變”水透鏡，放置在充滿蚊香煙霧的2個附屬玻璃長方體容器的中間.最后，用豎起的3個激光玩具筆，從一個附屬的玻璃長方體容器平行照射.由于“雙變”透鏡的2個面是平的，3條平行光線通過時是平行的，表明光通過平行的玻璃磚時傳播方向不變.當(dāng)用注射器充水，使“雙變”水透鏡形成凸透鏡時，3條平行光線靠近主光軸，表明凸透鏡對光線有會聚作用如圖2所示.當(dāng)用注射器向外吸水，使“雙變”水透鏡形成凹透鏡時，3條平行光線遠(yuǎn)離主光軸，表明凹透鏡對光線有發(fā)散作用.

（3）演示凸透鏡焦點的形成.將“雙變”水透鏡放在已經(jīng)充好煙霧的2個玻璃附屬長方體容器中間，推動注射器的活塞，向“雙變”透鏡中充水凸起橡皮膜形成凸透鏡.讓豎直面的3條激光線通過凸透鏡，在觀察光線向主光軸會聚的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的充水凸起橡皮膜，就會觀察到3條平行光線就會聚到一點.這一會聚點就是凸透鏡的焦點.同時會觀察到凸透鏡的橡皮膜越是凸起焦距就會越短.

圖2

（4）演示凸透鏡成像的規(guī)律.首先，在點燃蠟燭和光屏之間放好“雙變”水透鏡，調(diào)節(jié)好“雙變”水透鏡的凸起程度，并調(diào)節(jié)蠟燭和光屏的距離，使蠟燭的燭焰在光屏上形成一個倒立的縮小的實像.然后，再拉動注射器的活塞向外吸水，使凸透鏡的橡皮膜凸起程度變小，可以觀察到燭焰在光屏上形成的實像在變大，同時變?yōu)槟：苿庸馄恋酵哥R的距離，在光屏上重新觀察到放大的實像.最后，繼續(xù)向外吸水，“雙變”透鏡形成凹透鏡時，光屏上找不到燭焰所成的實像了.

（5）演示不同介質(zhì)透鏡折射本領(lǐng)的大小.首先，將“雙變”水透鏡放在已經(jīng)充好煙霧的2個相距5cm的玻璃附屬長方體容器中間，并使“雙變”水透鏡橡皮膜凸起的程度，使這5cm的空隙剛好充滿為止.然后，使豎直面上的3條平行光線通過2個已經(jīng)充好煙霧的2個玻璃附屬長方體容器.讓學(xué)生觀察折射的程度，并用水彩筆，在玻璃容器上做標(biāo)記.最后，打開2個止水夾，往“雙變”透鏡中充入酒精，用止水夾關(guān)閉排水口，繼續(xù)充入酒精，使橡皮膜凸起的的程度仍充滿玻璃容器之間的5cm空隙為止.觀察3條平行光線通過這個“酒精”透鏡的折射程度與上次標(biāo)記的折射程度不同.再換煤油等其他液體來演示，折射的程度還不同，從而得到不同的介質(zhì)的折射本領(lǐng)不同.

（6）演示近視眼的形成與矯正.在點燃蠟燭和光屏之間放好“雙變”水透鏡，調(diào)節(jié)好“雙變”水透鏡的橡皮膜的凸起程度，并調(diào)節(jié)蠟燭和光屏的距離，使蠟燭的燭焰在光屏上形成一個倒立的縮小的實像.燭焰相當(dāng)于物體、凸透鏡相當(dāng)于人的晶狀體，光屏相當(dāng)于人的視網(wǎng)膜.燭焰遠(yuǎn)離時，光屏上的像就形成模糊了.這就像近視眼的人看遠(yuǎn)處的物體時，調(diào)節(jié)晶狀體的捷狀體由于長期勞累，不能使晶狀體變薄而光線落在視網(wǎng)的前面一樣.這時，我們在燭焰和凸透鏡之間放一凹透鏡，光屏上重新觀察到清晰的倒立的燭焰了.這就是近視眼人佩戴眼鏡的簡單道理了.

3 幾點說明

（1）組裝“雙變”水透鏡時，透鏡密閉性的好壞是本實驗成功的關(guān)鍵.主要是2個乳膠膜固定時，在塑料圓柱環(huán)兩端涂抹凡士林，再用橡皮筋套緊橡皮膜時要對好一周的凹槽，并擰緊套在塑料圓環(huán)兩端的橡皮膜上的鐵皮圓環(huán).

（2）固定橡皮膜時，還要使塑料圓柱管兩端的橡皮膜繃緊有一定的彈力后再固定，因為彈性較大的橡皮膜能減小由于水的重力而影響“雙變”透鏡的凸凹形狀.

（3）本實驗裝置創(chuàng)新之處在于通過“雙變”透鏡表面的凸、平、凹形狀的連續(xù)改變，有助于學(xué)生觀察和理解凸、平、凹透鏡的形狀與規(guī)律，具有可對比性，說服力大.

1 張曉玲，黃儀華.利用水透鏡實現(xiàn)眼睛變焦機(jī)能的模擬.中小實驗與裝備，2008（6）：50