利用水透鏡模擬眼睛變焦機能的實驗創新

張華東

（浙江省寧波市慈溪市慈吉中學，浙江 寧波）

在華師大版八下科學眼的成像原理的教學中，針對人眼成像原理、視力的矯正等課程內容，由于條件限制，很難將人眼晶狀體變焦調節的作用模擬出來，對于思維能力還有待提升的初中生來講，想要從逆向思維角度把正向結論寫出來往往都具有很大難度，而使用水透鏡的模擬實驗就能夠很好地解決這個問題，可以輕松完成后續近視眼、遠視眼的教學。

一、水透鏡的制作

1.所用材料

直徑5cm的PV悅管、容積20 ml的注射器、輸液管、透明彈性膜、橡皮筋、黑色電工絕緣膠布、PV悅膠水、細砂紙、酒精燈、大鐵釘、美工刀。

2.制作方法

（1）用切割機從直徑為5 cm的PV悅管中鋸下長度為3 cm的一段（該操作教師事先完成），用細砂紙將兩端磨平。

（2）用燒紅的大鐵釘在水管中點鉆一個大小合適的小孔；用PV悅膠水把一截輸液管粘在小孔中，放置一天，用美工刀把PV悅管內過長的輸液管斜切。（方便后續注水時趕出管內空氣）

（3）在PV悅管兩端分別用彈性橡皮膜覆蓋，用橡皮筋扎緊，再用黑色電工絕緣膠布把PV悅管兩端緊緊纏住，可有效防止水透鏡漏水。

（4）用輸液管前端較細的一部分從已經連接好的輸液管中伸入，再借助注射器注水并趕盡水透鏡內的空氣，再接上容積為20ml的注滿水的注射器，就制成了一個水透鏡。

3.注意事項

（1）根據不同組學生的制作比較，水透鏡的直徑不宜過小，也不宜過大。比如一組學生用2 cm的水管制成的水透鏡，在實驗中現象不是很明顯，效果沒有大的透鏡好；也有同學做了10 cm的超大水透鏡，注射器容積為50 ml，但凸度變大時，成像變形明顯。我們也查閱了資料，某教師在組織學生開展相應的模擬實驗時，就制作了一個7.5 cm的大水透鏡，在將其放置于水平桌面上時，由于水透鏡膜面的上下部分受水的壓強會出現較大差異，進而導致膜面出現顯著下垂的情況，使得其透鏡最終成為垂直方向變焦的透鏡。

（2）利用水透鏡模擬眼睛變焦機能模擬過程中，注射器的容量大小應真正做到與透明彈性膜形變的恰當匹配。若注射器容量過大，在模擬實驗中往往會給連續改變水透鏡焦距帶來諸多不便，且極易超過薄膜彈性的承受范圍，但是若注射器的容量過小，也無法實現透明彈性膜凹凸性的合理改變。因此，為了使整個實驗順利進行，應確保注射器的容量大小可以與透明彈性膜的形變之間做到恰當匹配。

（3）在進行注射器活塞的推或者是拉動時，用力要始終保持平穩，以及緩慢的速度。總之，為了確保利用水透鏡實現眼睛變焦機能的模擬實驗的順利進行，教師在組織學生制作教具和實驗步驟時，應對上述幾點做出綜合考慮與準確把握。

二、利用水透鏡模擬眼睛變焦機能的課堂實踐探究

1.感受焦距可變的透鏡

學生利用各組自己制作的水透鏡，進行實驗初步探究；向水透鏡注水，可觀察到橡皮膜往外凸出，透鏡的凸度變大；往外抽水，可觀察到橡皮膜凸出程度變小，透鏡的凸度變小；借此來直觀感受透鏡焦距的改變。

2.探究眼球的調節原理

第一步，將水透鏡用細鐵圈固定，把細鐵圈直接插入光具座，然后按照標準要求進行實驗器材的擺放，對LED光源、光屏做出合理調節，使三中心始終處于相同高度；第二步，讓LED光源離透鏡較遠，對光屏作出恰當調節，使得LED光源清晰的像能夠呈現于光屏上，模擬人眼看清遠處的物體；第三步，固定住水透鏡、光屏，模擬人眼的晶狀體和視網膜的位置不會發生改變；第四步，把LED光源向水透鏡移近，發現光屏上的像變模糊了，用注射器向水透鏡注水，發現光屏上的像又變清晰了，模擬人眼看完遠處的景物，改看近景時的調節機制，有效解決了教學難點。

3.實驗說明

水透鏡其實就相當于晶狀體，在將適量的水往水透鏡注入或抽出時，水透鏡的凸度會逐漸改變，對光的偏折能力也會隨之改變，焦距也逐漸改變，從某一層面來講，這與睫狀體收縮或舒張、晶狀體凸度變化的道理其實是相同的。光屏就相當于人體視網膜。在整個實驗過程中，像距是一直保持不變狀態的，出現變化的只有物距，這一特征與眼睛是相同的。通過這一模擬實驗可以了解到：當睫狀體處于放松狀態時，晶狀體通常都比較薄，眼睛可以清楚地看見遠處的物體；而睫狀體在逐漸收縮時，晶狀體也會隨之逐漸變厚，眼睛便可以清楚地看見近處的物體。

綜上所述，廣大初中科學教師在實踐教學中應正確認識到，通過運用水透鏡來進行眼睛變焦機能模擬，不僅可以突破教學難點，也能夠讓學生在具體操作、學習探究中樹立主動保護眼睛的良好意識，也有助于思維、動手與創新能力的進一步培養，為此，在實際授課中，教師除了要重視多媒體等先進教學手段的運用之外，也要重視自制教具、學具的設計與制作，以此來優化教學環節。