水透鏡的制作及應用

高春麗

摘? ?要：文章通過闡述水透鏡的制法，讓讀者了解到水透鏡制作的材料、步驟、方法、要點及注意事項;通過闡述水透鏡在凹、凸透鏡對光的作用、凸透鏡成像規律、眼睛的視物原理、近視眼的成因及矯正、遠視眼的成因及矯正等教學中的應用，讓讀者了解到STEM SOS教學模式中初中物理課堂教學中的基本教學模式。

關鍵詞：水透鏡;凸透鏡;初中物理課堂教學;STEM SOS教學模式

1? 了解STEM SOS教學模式

STEM SOS是指美國和諧公立學校開發的STEM課程，他們將基于項目的學習法和探究式學習法結合起來，并命名為“STEM學生登臺秀（SOS）”。STEM SOS模式的目標是“在PBL項目擴展學生知識面的過程中，持續關注以學生為中心的規范教學方法”[ 1 ]。

2? 學生在實踐中的發現與研究成果

透鏡在初中物理光學中占著極其重要的地位，其中凸透鏡的成像規律、眼睛的視物原理等是初中物理光學部分的難點及重點。在教學中發現了有諸多的不便解決的問題，就此有許多老師做了許多研究，在這些研究中就以水透鏡的應用最受歡迎。但目前所知的各種方法制作而成的水透鏡存在著這樣或那樣的不足。本文就筆者在“基于STEM SOS模式下的初中物理規律課堂教學研究與實踐”課題研究中，記錄下來的學生的一些發現，師生共同總結得出的水透鏡制作方法與實踐應用做些闡述，以突破凸透鏡的成像規律、眼睛的視物原理等教學難點。

2.1? 水透鏡的制作

在透鏡的作用、凸透鏡的成像規律、眼睛的視物原理等學習中，為了便于研究，同學們提出需要一個能變焦的透鏡，然后上網查看，發現水透鏡能變焦。水透鏡是指在一個透明的薄膜內裝有水，以水做為折射介質的透鏡。它的主要特點是通過調節薄膜內水量的多少，可以調節透鏡的焦距。

網絡上有關水透鏡的制作方法多種多樣，同學們試過按多種方法制作水透鏡，發現它們有以下的特點：不易注水，注水時膜內有大量氣泡不易排出，透光性不好，彈性不好不易變焦，密封性不好極易漏水，當注入較多的水時透鏡上下厚度不同、焦距不同等。為了更好地完成實驗探究，同學們查閱大量資料，多次實踐，最后定下了用3D技術打印形成水透鏡主體，改良泉州市泉港區教師進修校郭衛東老師版本的水透鏡，最后還發現制成的水透鏡不僅可以是能變焦的凸透鏡，甚至還可變成一凹透鏡。

2.1.1? 基本組成

水透鏡的主體是由光敏樹脂材料通過3D打印機依據設計好的尺寸打印而成。但打印過程要注意光照強度，若光照太強，則水透鏡太碎，容易損壞;若光照不足，水透鏡太軟，則透明膜很難裝上，即便裝上也極易漏水。水透鏡的膜選用了無油超薄安全套，這種安全套具有很強的彈性，可以更大范圍地改變透鏡的焦距，同時因為它是無油的，透光性非常好，不會受油膜的影響而使透光能力大打折扣。

水透鏡不宜太大，太大則無法保證上下焦距相同;不宜太小，太小則成像效果不好。也不宜太厚，太厚則透光差;不宜太薄，太薄則不易安裝。多次實踐后最后設計成一中空管與一圓環相連，另配兩個套環（外形如圖1）;選用的尺寸如下：管長118mm，上端圓環厚4mm，內徑60mm，外徑72mm，凹槽寬4mm，雙面槽深各2mm。

2.1.2? 組裝

①打孔制蓋：選擇外殼彈性較好的礦泉水瓶，旋下瓶蓋，按透鏡入水管的孔徑打孔。然后把透鏡入水管插入，選熱熔膠封好孔間的縫隙，如圖2所示。

②組裝各部件：先用水洗過無油超薄安全套（安全套因為是無油型，摩擦力較大，太用力容易破，不用力又很難套入，而水洗過后減少了摩擦力，方便套入。切不可用洗潔精，洗潔精氧化安全套，使安全套變成乳白色，而無法透光）。然后把整個安全套套入內圈;接把外圈按相應孔位按入，壓緊。

③裝水：把套好膜的透鏡倒放，置于水龍頭下，打開水龍頭讓水直接流入，觀察膜內水量，當膜內不再進水時，停止注水，輕壓透明膜，排出膜內空氣。接著用手按住入水口，把水透鏡裝入已裝有九分滿的水的礦泉水水瓶中，旋緊瓶蓋，如圖3所示。

3? 水透鏡在教學中的應用

筆者在“基于STEM SOS模式下的初中物理規律課堂教學研究與實踐”課題研究中，提出了這種模式下的課堂教學的基本模式，如圖4所示。

下面有關水透鏡在教學中的應用，都是基于這一模式，但由于篇幅的限制，主要描述學生在課堂中匯報的實驗探究方案。

3.1? 凹、凸透鏡對光的作用

3.1.1? 凹透鏡對光的發散作用

步驟1.旋松瓶蓋，透鏡中的水在大氣壓的作用下，被擠出到瓶內，當透鏡形成中間薄邊緣厚時，迅速旋緊瓶蓋;

步驟2.讓一束平行光垂直于透鏡射入，觀察折射光;

步驟3.輕用力擠壓瓶身，使瓶中水進入透鏡中，讓凹透鏡變厚，讓一束平行光垂直于透鏡射入，觀察折射光;

步驟4.重復步驟3多次。

3.1.2? 凸透鏡的焦距與凸起程度的關系

步驟1.透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2. 讓一束平行光垂直于透鏡射入，在透鏡的另一側立一與透鏡等高的光屏，移動光屏，當光屏上形成最小最亮的光斑時，用刻度尺測出光屏到透鏡光心的距離，并記錄;

步驟3.輕用力擠壓瓶身，使瓶中水進入透鏡中，讓凸透鏡變厚，重復步驟2;

步驟4.重復步驟3多次。

3.2? 凸透鏡成實像的大小與焦距的關系

步驟1. 透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2.在透鏡的一側立一形狀為“F”的發光二極管，另一側立一光屏，調整三者高度，使它們的中心在同一高度;移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像，用刻度尺量出像高及像距，并記錄;

步驟3.輕用力擠壓瓶身，使瓶中水進入透鏡中，讓凸透鏡變厚，在光源位置不變的情況下，移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像，用刻度尺量出像高及像距，并記錄;

步驟4.重復步驟3多次。

3.3? 眼睛的視物原理

3.3.1? 正常眼看近處的物體

步驟1. 透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2.在透鏡的一側立一形狀為“F”的發光二極管，另一側立一光屏，調整三者高度，使它們的中心在同一高度;移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟3.向透鏡方向移動光源，觀察光屏上的像，發現像變模糊了;用力擠壓瓶身，使瓶中水進入透鏡中，讓凸透鏡變厚，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟4.重復步驟3多次。

3.3.2? 正常眼看遠處的物體

步驟1. 透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2.在透鏡的一側立一形狀為“F”的發光二極管，另一側立一光屏，調整三者高度，使它們的中心在同一高度;移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟3.向遠離透鏡方向移動光源，觀察光屏上的像，發現像變模糊了;旋松瓶蓋，使透鏡中的水流回瓶中，讓凸透鏡變薄，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟4.重復步驟3多次。

3.4? 近視眼的成因及矯正

步驟1. 透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2.在透鏡的一側立一形狀為“F”的發光二極管，另一側立一光屏，調整三者高度，使它們的中心在同一高度;移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟3.向透鏡方向移動光源，觀察光屏上的像，發現像變模糊了;選擇合適的眼鏡，立于透鏡前，使光屏上形成一個清晰的像，如圖5;

步驟4.重復步驟3多次。

3.5? 遠視眼的成因及矯正

步驟1. 透鏡中裝入適量的水，使透鏡形成中間厚邊緣薄的凸透鏡;

步驟2.在透鏡的一側立一形狀為“F”的發光二極管，另一側立一光屏，調整三者高度，使它們的中心在同一高度;移動光屏，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟3.向遠離透鏡方向移動光源，觀察光屏上的像，發現像變模糊了;選擇合適的眼鏡，立于透鏡前，使光屏上形成一個清晰的像;

步驟4.重復步驟3多次。

4? 所制的水透鏡還存在的問題

自制而成的水透鏡方便了實驗探究，但是這水透鏡還存在一些問題，目前仍未解決。有如下問題：

（1）3D制成的外殼光照度不好掌握，光照時間太長，外殼太脆，極易斷裂。光照時間太短，外殼柔韌度太好，卡不緊膜;

（2）選用安全套做為外膜，彈性好、透光強，但易氧化，每個只能使用3到4次;且易破，不易組裝。

參考文獻：

[1][美]阿爾帕斯蘭·沙欣. 基于實踐的STEM教學模式-STEM學生登臺秀[M].侯奕杰，朱玉冰譯.上海：上海科技教育出版社，2016.