基于學科融合探究近視眼成像及矯正規律的研究

焦 雷

（南京外國語學校仙林分校，江蘇 南京 210023）

凸透鏡成像的規律、照相機與眼球——視力的矯正兩課是蘇科版物理教材八年級上冊第4章第3、4節的內容，［1］為了更好地體現課標中從生活走向物理，從物理走向社會的教學理念，［2］以及考慮到初中生年齡特點（學生對事物的認識是形象、具體化的，對思維的要求較低，物理本身就是一門包含很多科學思維的學科，所以要關注對學生思維的培養［3］），筆者利用牛眼晶狀體進行實驗，以達到學科教學的目的.

1 課本實驗回顧

1.1 凸透鏡成像的規律

（1）記錄所選凸透鏡的焦距f=______cm.

（2）如圖1所示組裝并調整實驗器材，使燭焰和光屏的中心位于凸透鏡的主光軸上.

圖1

（3）使燭焰從距離凸透鏡較遠處逐次靠近透鏡，每次都調節光屏到凸透鏡的距離，使燭焰在光屏上成像，注意觀察，像的大小、正倒是如何隨物距的減小而變化的？

（4）調整物距，使燭焰在光屏上成倒立、縮小的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

（5）再調整物距，使燭焰在光屏上成倒立、放大的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

表1

（6）分析實驗數據，你認為在何種情況下可以得到倒立、等大的像？試一試，成倒立、等大的像時，焦距、物距和像距各是多少？

表2

（7）當物距小于焦距時，移動光屏，在光屏上能看到燭焰的像嗎？通過透鏡觀察燭焰，你能看到它的像嗎？這個像是放大的還是縮小的，是正立的還是倒立的？將光屏置于像的位置，你能直接在光屏上看到像嗎？

總結：分析上述各表中的數據，總結出凸透鏡成像的規律.

1.2 模擬近視眼成像實驗

如圖2所示的凸透鏡看作眼球的晶狀體，將光屏看作視網膜.給“眼睛”戴上近視眼鏡，使燭焰在“視網膜”上成像，并標出此時光屏的位置.移去近視眼鏡，光屏上的像變得模糊了，這就是近視眼所看到的景象.

圖2

移動光屏，再使燭焰在光屏上成像，并標出此時光屏的位置.

2 模擬近視眼成像實驗的改進

2.1 摘除牛眼晶狀體

為了讓學生能夠更加深刻地理解凸透鏡成像規律，筆者在本文中利用牛眼晶狀體替代傳統的凸透鏡，根據生物學知識（晶狀體外部由晶狀體囊膜構成，內部由玻璃體填充）可將牛眼晶狀體近似看作凸透鏡，考慮到要進行較精細的光學實驗操作，因此選用晶狀體較大的牛眼.首先將取下的完整牛眼進行清洗消毒，接下來將剝離下來的牛眼晶狀體放置于燒瓶夾上并固定，調整好牛眼晶狀體的位置后再次用酒精輕微沖刷，以防止后續實驗過程中睫狀體殘留物的干擾，如圖3至圖5所示（注：剝離晶狀體要帶護目鏡、口罩等防止病菌感染）.

圖3

圖4

圖5

2.2 牛眼晶狀體（凸透鏡）成像

將燒瓶夾及牛眼晶狀體整體放置于光具座上，并將光源（F燈）、光屏分別放置在晶狀體兩側，通過調節光源、光屏可以清晰地在光屏上看到成倒立、縮小的實像，如圖6所示.從圖6中可以看出物體（光源）位于64cm刻度線處，視網膜（光屏）位于73cm刻度線處，晶狀體（凸透鏡）位于約72cm刻度線處，與眼球成像原理中物距、像距的范圍相一致（u＞2f，f＜v＜2f）.

圖6

通俗的近視眼定義為：近視是屈光不正的一種.當眼在調節放松狀態下，平行光線進入眼內，其聚焦在視網膜之前，這導致視網膜上不能形成清晰像，稱為近視眼.生活中長期疲勞用眼、遺傳等原因都會導致近視眼的形成.

2.3 近視眼晶狀體成像及矯正

在實驗中利用燒瓶夾下面的螺栓使燒瓶夾不斷夾緊，致使晶狀體發生擠壓而變得更加突出，在光源、光屏位置都不變的情況下可以觀察到像逐漸變得模糊起來，與近視眼情況類似（如圖7所示）.但是在這種情況下，光源所成的像究竟是在光屏之前還是光屏之后呢？究竟是近視眼還是遠視眼呢？因此需要進一步探究.

圖7

本文中采用的方法是將A4紙疊加制成一個紙板，將其黏貼在光屏前方，光屏位置保持不變（由圖8可知），通過不斷增加紙張發現可在其上形成一個倒立、縮小的實像，由此現象可知像成在了光屏前方.之后將黏貼的A4紙板撤掉像再次恢復到之前的模糊狀態，調節光屏從73cm刻度線處逐漸遠離晶狀體，發現始終無法在光屏上獲得清晰的像.經過上述實驗對比發現晶狀體發生變化后（更加突出），的確使像成在了視網膜前方，與近視眼眼球晶狀體成像一致.

圖8

近視眼眼球的晶狀體因形變導致焦距變小，造成像成在視網膜前方，解決辦法只需將光線相對發散即可.本文中采用給牛眼晶狀體“佩戴近視眼鏡”（凹透鏡）的方式，即在晶狀體與光源之間放置一枚凹透鏡，在光源、光屏位置不動的情況下撤掉紙板，不斷調節凹透鏡的位置最終可使發散的光線經晶狀體折射后在光屏上成清晰的倒立、縮小實像，如圖9所示.

圖9

通過以上模擬近視眼眼球成像及矯正實驗，再次驗證近視眼晶狀體成像在視網膜前方，需要通過使光線發散的方式使像恢復到視網膜上.使光線發散的普遍方式是采用本實驗中的“佩戴眼鏡（凹透鏡）”，使光線先經凹透鏡發散后再經晶狀體成像在視網膜上.生活中也可以采用激光手術的方法，將已形變的晶狀體變薄，致使其對光線的折射能力減弱，最終也可使光線重新匯聚在視網膜上.

3 本實驗對課堂教學的啟示

（1）首先通過進行凸透鏡成像實驗對凸透鏡成像規律有所了解，使學生能夠準確判斷在不同物距下的成像特點，并可以根據這些規律辨析相關應用的原理，知道眼球成像的本質就是凸透鏡成像.

（2）讓學生經歷模擬近視眼成像及矯正過程實驗，使學生更加深刻了解到近視眼是由于晶狀體在疲勞等因素作用下發生形變，導致成像在視網膜前方，可以通過外加凹透鏡（近視眼鏡）的方式使光線發散，使像回落到視網膜上，在應用中增加了思維含量.［4］

（3）通過本次學科融合實驗，很大程度上激發了學生的物理學習興趣，體現了課標中從生活走向物理，從物理走向社會、注意學科滲透，關系科技發展的課程基本理念，也與提高全體學生科學素養的義務教育物理課程目標相一致.