冰透鏡

李湘黔

STEM知識素養

一、人文知識

冰在陽光的照射下會融化，但冰透鏡對著太陽卻能聚光使艾絨著火。關于冰透鏡，早在我國西漢《淮南萬畢術》（約成書于公元前2世紀）中就有記載：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。”其后，西晉張華的《博物志》中也有類似記載。

清代科學家鄭復光根據《淮南萬畢術》的記載，曾親自動手做了實驗，證實冰透鏡可以取火。他在我國第一部較完整的光學專著《鏡鏡冷癡》中寫道：“將一只底部微凹的錫壺，內裝沸水，用壺在冰面上旋轉，可制成光滑的冰透鏡，利用它聚集日光，可使紙點燃。”

2006年第四屆全國特殊奧林匹克運動會召開前，世界冬季特奧會速滑金牌獲得者王征與愛心大使——我國著名歌唱家李雙江在哈爾濱松花江北側的太陽島上共同手持取火棒，將取火棒對著用松花江里的冰塊制成的冰透鏡的焦點，成功采集了圣火。

二、科學知識

冰透鏡實際上相當于光學元件中的凸透鏡（中間厚、邊緣薄）。凸透鏡可以使跟主光軸平行的光線聚集在主光軸上的一點，這個點就是焦點（F）。焦點到凸透鏡的光心（0）的距離是焦距（f）。如圖所示，將太陽光視作一束平行光，經過凸透鏡發生折射后，光線會聚到焦點處，形成光斑。光斑處溫度升高一段時間后，使易燃物達到燃點，從而燃燒。

STEM活動實踐

二、創意實踐

利用冰透鏡使稻草燃燒

（一）材料

中間為凸透鏡形狀的模具（建議使用3D打印機制作）、清水、冰箱、蘸酒精的稻草。

（二）創意參考步驟

1.向模具中注滿水，置于冰箱中冷凍三小時后取出，拆開模具，得到一塊中間厚邊緣薄的冰透鏡。

2.天氣晴好的正午時分，利用冰透鏡在地面上找到光斑。將蘸酒精的稻草置于光斑處，靜置約兩分鐘后，稻草被點燃。

3.換用光學元件凸透鏡進行取火，比較兩次稻草被點燃的快慢。初步討論焦點處溫度升高的影響因素。

二、創意改良

1.分別換用不同厚度、不同鏡面半徑的凸透鏡，測量凸透鏡到光斑的距離（即焦距）。通過實驗探究焦距與凸透鏡的厚薄程度有何關系，并討論凸透鏡厚薄程度、鏡面半徑對取火快慢的影響。

2.冰透鏡作為取火器有何缺點？通過對光斑處溫度變化的測量，你能否設計出與之相同原理的新型取火器？

3.利用3D打印機制作中間薄、邊緣厚的凹面冰透鏡模具。以此制作的凹面冰透鏡能聚光取火嗎？請利用凹透鏡的光學原理進行解釋。

三、創意挑戰

1.通過查閱資料，了解森林防火知識。自主組織一次塑料瓶回收的環保實踐活動。

2.為什么烈日下放在陽臺上的魚缸有可能使窗簾著火？為什么烈日下洗車一定要擦干？能否嘗試用科學知識解釋這些現象？寫出你知道的其他與凸透鏡聚光有關的例子，并相互交流討論。

3.利用冰透鏡進行實驗，自主設計實驗步驟，探究學習凸透鏡的成像規律。

（編輯Seven）