水透鏡的制作改進及應用

王賀

摘要：水透鏡最早源于教學中對可變焦透鏡成像研究的實驗創新設計，在前人的基礎上，水透鏡的制作在不斷的進行改進，改進的方向主要是成像更為清晰，范圍更大，操作簡便，通過減少了一些材料的配套要求和制作工藝要求，可以隨時制作，長期保存。水透鏡在現代課堂上可以很好地演示凸、凹透鏡對光線的作用、演示正常人眼看清遠處、近處物體的原理、演示近視眼、遠視眼成因及矯正，除演示之外可以進行學生小組合作。可以延展大透鏡的制作，在解決教學難點的同時也可以進行校本開發，讓學生參與到自制實驗儀器的過程中來。

關鍵詞：改進;自制;水透鏡

一、教具的教學意義和價值

本教具的改進源于2017年市級賽課選拔，對應內容為初二物理2011人教版物理八年級（下）教材，第五章第四節內容《眼睛與眼鏡》一課的學習，按教材要求，首先要讓學生知道人的正常眼睛是可以自主改變晶狀體的厚薄，從而改變焦距來看清遠處和近處的物體。當人眼睛有疾病時看不清物體，需要佩戴不同的透鏡再次看清物體。即近視眼和遠視眼的矯正。[1]在教學過程中為了解決這個難點，有很多前輩制作、改進水透鏡，并發表論文共享研究成果，水透鏡的特點是用于可視性焦距連續變化。但之前的目標都是為了教師演示實驗時的現象直觀性。[2]在嘗試制做曾經的水透鏡教具過程中，我遇到了很多困難，于是想盡辦法去簡化，并在三天內完成了一個展示大儀器和12個小儀器的制做，成功實現小組實驗。課后經教研員反復提問，我發現了當時儀器的不足之處，又再次改進。下面就是2019年完成的最新作品的改進成果。我的作品主要是解決水透鏡的實際制作與應用的問題，讓這個儀器不僅僅是能演示，而是能小組使用，在縮短制作時間的同時還能長期保存。

二、教具裝置圖（圖1）

如圖，外殼選用的是學生配套儀器中的凸透鏡儀器外殼，塑料材質，厚薄合適，便于改進，并且有現成的金屬柄，做好的水透鏡就能與普通玻璃透鏡一樣，在光具座上使用。整個裝置小巧簡單，學生易操作。

三、儀器改進與創新

1.改進方向：本教具在制作中需要注意三大問題，一是透光度和彈性，二是對液體的密封性，三是能解決長期保存的問題。

2.創新：

（1）用高透光PVC薄膜代替薄橡膠膜。優勢一：高透光度。優勢二：彈性與拉伸性都比原來的橡膠薄膜要更好，在制作教師演示水透鏡時，由于透鏡較大，注水量大，橡膠薄膜太軟，禁不住水的重力，從而影響到透鏡光心的向下偏移，出現因光心偏移的重像情況。而改用PVC薄膜后，這個問題就被很好的解決。

（2）用502膠水直接粘合。以前的水透鏡都是用一些其它材料的殼去壓住橡膠薄膜，從而達到密封的目的，但是這些“外殼”的制作要求很高，比如說直徑大小與要內殼貼合，還要有很好的密封性，即使做好成套的，也不能隨時更改鏡面直徑大小。經過多次選擇與嘗試，選出502膠水實現PVC薄膜與塑料外殼之接粘合。 粘合面至少3mm寬，所選的外框滿足條件，粘合后對水的密封性能較好，即使因為手生的原因，導致有個別點滲水也可以及時補救。粘合好的作品密封性很好，能支撐一定范圍的擴張。而對多余出來的PVC薄膜可以進行剪裁，使其看著更加美觀

（3）入水口選擇墨瓶蓋帽膠塞，手動開口比膠塞略小，這樣橡膠塞靠自身彈性充滿開口，幾乎不會滲水，而且帶蓋帽可以方便封閉。市面上的膠塞有很多種，而連供系統的這種膠塞有一個特點，下面口非常細小，上面口寬，這樣即使沒有蓋帽，里面水壓不是很大的情況下，水是不容易灑出來的，制作和使用過程中提供了便利。

（4）連供管線的接頭加上一個氣孔塞可以直接與蓋帽膠塞貼合，方便注水，不用擔心流水時反向漏水。

四、制作材料

透鏡原教學器材外邊圓框、高透高彈PVC塑料薄膜、連供管線（帶接頭、帶氣孔塞，帶墨瓶塞）、止水夾、注射器（20ml）、502膠水、塑料小水槽

五、制作方法

1.在外框頂部手鉆打注水孔，有條件的話拿外框的手戴上手套，以防手鉆脫手受傷（或者用細頭的電鉻鐵也可以打孔，但塑料熔化速度太快且不好控制，一定要把握好時間并注意安全），注水孔直徑略小于蓋帽膠塞。

2.將外框里外仔細擦干凈凈，把高透PVC薄膜按照外框直徑略大1cm大小，剪裁兩個一樣大小，也將膜的里外仔細擦干凈，并檢查是否有破損處。

在外框邊緣快速涂抹502膠，注意要涂滿不要有空隙，在20秒內將一張薄膜對正外框邊緣并快速用手輕按一圈，仔細觀察膜與框之間的粘合程度，發現有疏漏處及時推磨，小心按壓10秒左右，直到完全粘合好。另一面用同樣的方法進行粘合。粘合好的面會看到有微小的褶皺，摸上去手感偏硬。

兩面粘好后不要急著修剪邊緣，先將管線的接頭與注射器連接好，然后在不加膠塞的情況下向里注水，用手按住注水口，試一下密封性能，如果發現漏水點，及時用面巾紙吸干漏水點處的水，用502進行補救。沒有漏水點后，加上膠塞，接好管線和止水夾，進行注水。在注水過程中要注意往外抽氣，盡量排凈氣泡，有很小的氣泡在頂部對成像影響不大。這樣一個水透鏡就做好了。

六、使用方法

1.注水：膜向外鼓起，當到達目標處時，用止水夾夾住，水不會因壓強原因回流。

抽水：膜向內收縮，但還是維持兩面球面的性能，當到達目標處時，用止水夾夾住。

2.上光具座，先調出一個適當的焦距，作為正常的人眼。物距選擇比較中間的一個位置，找到一個清晰的像，此時光屏與透鏡間距離記下并固定，做為眼軸長度。增大物距，發現像變模糊，此時不移動光屏，而是抽取水透鏡中的水，使其變薄，焦距變大，會觀察到光屏上再次呈現清晰的像，這就演示出正常人眼通過自動變焦看清遠處物體的基本原理。同理，該裝置可以演示人眼看清近物體的原理。

3.在演示近視眼與遠視眼的矯正過程中，通過注水增厚，抽水變薄，分別模擬近視眼與遠視眼。

七、課上效果

學生通過觀察教師演示現象，再加上小組合作操作，很容易就理解了正常人眼的自主變焦原理。再通過模擬近視眼與遠視眼，結合上節課學的知識，能夠分析出不正常眼睛所成像位置與視網膜位置關系，從而順利的找到矯正的透鏡。

從現象來看：成像非常清晰，得益于高透光度

從制作上看：材料好準備，制作時間短，可大量制作，學生可以進行小組實驗，并能夠長期保存。

八、實驗擴展

如果只是為這節課去設計水透鏡，那它的意義僅在于提高教學效率與質量，激發學生興趣，便于學生理解。目前已經嘗試把該儀器擴展到校本課上，讓學生動手去制作一個水透鏡，這樣既能從仿生的角度以及結構上更深入了解透鏡的知識及模擬人眼的功能，又能鍛煉學生的動手能力，將復雜實驗盡可能變的簡單、可操作，可以實現國家對物理學科學生素養培養的要求。

參考文獻：

[1]汪海.孫新.教師教學用書物理八年級（上冊）[M].北京：人民教育出版社，2016：10-2.

[2]余玲. 模擬眼睛成像實驗的改進[J]. 中小學實驗與裝備， 2006， 016（003）：14-14.D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04