“眼睛與眼鏡”演示儀的設計與制作

毛銀芹 馮 潔 李紅梅 賈 闖 龐運超

(云南師范大學物理與電子信息學院,云南 昆明 650500)

“眼睛與眼鏡”這節內容不僅是凸透鏡成像規律的拓展,更是初中光學知識的重要應用,在初中光學教學中占有重要地位．[1]曲光不正的成因及矯正方法是本節的重點及難點,單靠教師講解或簡單實驗演示是不足以幫助學生掌握重點并突破難點的,[2]然而在實際的課堂教學中,受實驗室現有器材的限制,實驗過程“以講代做”的現象難免使學生對知識產生“隔靴搔癢”的窘迫體驗．與此同時,如何把物理知識與生活體驗巧妙結合,亦是助推學生主動參與課堂、投入探究的要點．

基于此,文章在國內學者對“可變焦水透鏡”[3]的研究成果上,設計“模擬眼球成像光路”和“大腦反應圖像電路”,自制了“眼睛與眼鏡”演示儀．該實驗教具能模擬眼睛成像及視力矯正,使用光感元件來模擬視網膜上的細胞組織接收光信號,電路部分模擬視神經,將視網膜上所成的像傳遞到大腦,大腦對成像信息進行處理,反映出物像的過程．該教具可以直觀地顯現出光路并且形象地模擬出大腦反應物像的原理,讓學生更容易理解本節教學內容．

1 演示儀的設計與制作

1.1 實驗器材

JD850綠光激光手電2個、長度15 cm磁吸式柱狀凸透鏡和凹透鏡各1個、直徑75 mm PVC直管和卡子各1個、200 ml注射器1支、輸液管1根、氫氣球若干、感光元件3個、USBled藍色和紅色燈帶各1條、導線和雙面膠若干,模糊田野圖片和清晰田野圖片各一張、納米噴霧補水儀1個、釘子和鐵皮若干,軟木板和白色塑料泡沫若干備用．

1.2 水透鏡的制作

圖1 水透鏡實物圖

用鋼鋸把直徑為75 mm的PVC直接管鋸成與直徑為75 mm帶釘卡子的PVC水管相同寬度,用砂紙打磨其切面,然后用電鉆在PVC直接管和帶釘卡子的PVC水管相應位置鉆一樣大的孔,鉆好孔之后用氫氣球包裹住PVC直接管(先用雙面膠在PVC管上粘一圈,氫氣球包裹住之后再在外圍用透明膠帶圍繞著PVC管上粘一圈.這樣可以很好地保證水透鏡的密封性),把帶釘卡子的PVC水管固定在被氫氣球包裹住的PVC直接管外圍,然后把輸液管插入PVC管上的鉆孔,用熱熔膠封口．再把注射器與輸液管連接,一個完整的水透鏡就做好了，如圖1所示.

1.3 實驗設計與制作

“眼鏡與眼鏡”演示儀設計圖如圖2所示,由兩部分構成:模擬眼球成像光路A、模擬大腦反應圖像電路B．其中,模擬眼球成像光路系統如圖3所示,自制可變焦水透鏡通過一段輸液管與注射器相連,水透鏡的左側是激光手電所模擬的物光源及鐵質透鏡臺,鐵質透鏡臺用以放置磁吸式柱狀透鏡;水透鏡右側是用塑料泡沫制作的模擬視網膜結構,生煙盒置于水透鏡和模擬視網膜結構之間．

圖2 “眼睛與眼鏡”演示儀設計圖

圖3 模擬眼球成像光路圖

模擬大腦反應圖像電路結構如圖4所示,模擬視網膜結構上適宜位置嵌有3個感光元件,感光元件通過導線與電箱相連．電箱內的電路圖如圖5所示,R1、R2、R3分別對應圖4中的3個感光元件,R1和R3并聯,再和L1串聯;R2和L2串聯,再和R1、R3整體并聯．L1為紅色燈帶,L2為藍色燈帶．

圖4 模擬大腦反應圖像電路

根據設計圖制作出的實物圖如圖6所示,在模擬眼球成像光路這一結構外圍用軟木板制成密閉暗箱并制作暗箱門．暗箱右側紅色燈帶L1下方粘貼有模糊的田野圖,藍色燈帶L2下方粘貼有清晰的田野圖,兩條燈帶均繞制在對應田野圖4條邊的外圍．

圖6 “眼睛與眼鏡”演示儀實物圖

2 實驗操作與演示

打開暗箱門,點燃生煙盒中的煙香或使用噴霧器,在暗箱中開啟激光源筆,合上暗箱門,開啟電源．

2.1 模擬眼球成像的3種情況

(1) 正常眼成像.

如圖7(a)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調節透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線恰好匯聚在視網膜上,即光線匯聚于光敏元件R2上．此時R1和R3無光線照射,所在支路斷路,故L2藍燈亮起,L1不發光．L2燈帶對應清晰的田野圖,表示人眼看到清晰的圖像．

(2) 近視眼成像.

如圖7(b)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調節透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線匯聚在視網膜前方,光線通過匯聚點后繼續向后傳播,分別照射在R1和R3上．此時光敏元件R2上無光線照射,所在支路斷路,故L1紅燈亮起,L2不發光．燈帶L1對應模糊的田野圖,表示人眼看到模糊的圖像．

圖7 眼睛成像演示的3種情況

(3) 遠視眼成像.

如圖7(c)所示,通過注射器向水透鏡中注水或抽水調節透鏡的突起程度,使通過水透鏡的光線在視網膜前和視網膜上無匯聚點,兩條光線分別照射在R1和R3上．此時光敏元件R2上無光線照射,所在支路斷路,故L1紅燈亮起,L2不發光．L1燈帶對應模糊的田野圖,表示人眼看到模糊的圖像．

整個過程的展示是為了跟學生說明當外界物體發出的光線(或者反射的光線)最終會聚在視網膜上時,我們就能看到一個清楚的像;如果外界物體發出的光線(或者反射的光線)聚焦在視網膜前或視網膜后,那么我們將看到一個模糊的像．

2.2 近視眼和遠視眼矯正演示

(1) 近視眼矯正.

近視眼即圖7(b)所示情況,成像在視網膜前．矯正近視眼時,把磁吸式凹透鏡放在水透鏡和光源之間的某一個位置(靠近水透鏡),利用凹透鏡調節光線讓其匯聚到視網膜上,電路部分藍燈亮,可以看到清晰的物體,如圖8所示情況．

圖8 近視眼矯正

(2) 遠視眼矯正.

遠視眼即圖7(c)所示情況,成像在視網膜后．矯正遠視眼時,把磁吸式凸透鏡放在水透鏡和光源之間的某一個位置(靠近水透鏡),利用凸透鏡調節光線讓其匯聚到視網膜上,電路部分藍燈亮,可以看到清晰的物體,如圖9所示情況．

圖9 遠視眼矯正

3 總結

由于光源、水透鏡和視網膜所在的位置不能靈活地移動,為了能達到最佳的效果,教師在演示之前,應通過調試事先調節好透鏡的焦距．該演示儀的設計,可以增強演示實驗的可見度,清晰地給學生模擬眼睛成像的光路圖和大腦反應物像信息的過程,實驗的演示不僅能給學生提供對所研究物理現象的感性材料,培養學生的觀察能力,而且還可以使學生獲得一定的實驗技能,培養學生的實驗能力,有利于打造高效的物理課堂．