自制變焦水透鏡演示晶狀體的調節作用

張來萌 孔德周

（山東省曲阜市杏壇中學 山東曲阜 273100）

初中階段的生物學教材中，介紹了“視覺的形成”這部分知識，而且均設置在7年級下冊。在這部分知識中，人眼在觀察遠、近物體時晶狀體曲度的變化，近視眼的成因和矯正方法，是本節課的難點。究其原因，首先是因為在現有的眼球模型中，晶狀體的曲度是不可改變的，僅展示了晶狀體的形態和在眼球中的位置，不能演示物像在視網膜上的成像情況。其次，物體通過晶狀體在視網膜上成像，其原理是“凸透鏡成像”，而學生到8年級學習物理學時，才學習這部分知識。因此，在沒有學習“凸透鏡成像”原理及規律的前提下，教師在引導學生學習這部分知識時，利用圖片或視頻進行講解，或利用多片透鏡演示晶狀體的調節作用，但不論用哪種方法，均不能很好地展現晶狀體的曲度變化動態過程，很難讓學生真正地理解晶狀體的調節原理。

為此，筆者設計了這種曲度可變化的水透鏡（簡稱變焦水透鏡），如圖1、圖2。其中，a、b、c 用厚度為3 mm 亞克力板制作，d為去除針頭的靜脈注射器末端軟管，e 為雙層PVC 膜，f 為固定螺絲與螺母。

圖1 變焦水透鏡

圖2 制作變焦水透鏡主要部件

1 制作方法

1.1 材料 厚度為3 mm 的亞克力板、PVC 膜、螺絲與螺母5 套、去除針頭的靜脈注射器細軟管（圖2中的d，以下簡稱“注水軟管”）、20 mL 注射器。

在材料的選擇上，用于制作變焦水透鏡鏡面的材料是決定此裝置是否成功的關鍵。筆者嘗試用過乳膠手套、塑料袋、保鮮膜等多種材料，乳膠手套彈性好，但透光性不足；塑料袋和保鮮膜透光性好，但彈性不足。“波波球”的膜是一種PVC 膜，彈性足，透光性也很好，滿足了制作變焦水透鏡的要求。

1.2 制作步驟 ①用游標卡尺測量眼球模型中晶狀體模型的尺寸，用亞克力板、制作3 個圓環：外徑65.5 mm、內徑44 mm 的圓環2 個（圖2a 和2 c），外徑58.5 mm、內徑44 mm 的圓環1 個（圖2b）。為方便組裝，在3組亞克力圓環上，均預留相同直徑和孔距的固定孔。在較小的圓環上，在避開固定孔的位置，以過圓心的方向，用矬刀加工1 個小的“一”字形豁口，預留放置注水軟管（圖2d）。用亞克力板加工圓環有2個優點：1）材料易于加工；2）亞克力板表面平整，有利于2 層PVC 膜的密封。當然，不同的眼球模型，晶狀體尺寸可能不同，按實際情況適當調整。

②在波波球球面上，剪取直徑為60 mm 的圓形PVC 膜2 個（圖2e）。未充氣的波波球，其2 層膜是直接貼合在一起的，可在未充氣前，用剪刀一次性剪下2 張PVC 膜。

③從下到上，依次按照圖2中部件a、部件b、第1 層PVC 膜、部件d（注意放置在部件b 的豁口處，為防止此處漏水，建議在豁口位置，2 層膜之間及注水軟管的表面涂抹補胎膠水）、第2 層PVC膜、部件c 的順序排列好（圖3），注意使3 個亞克力板上的固定孔相互對齊，然后用螺絲及螺母（圖2f）緊固，將2 層PVC 膜壓實，防止注水后滲水。連接注射器后，變焦水透鏡即制作完成，可直接固定在眼球模型晶狀體處。

圖3 各部件排列順序

2 使用方法

變焦水透鏡焦距變化的原理：利用注射器向變焦水透鏡內注水，水會進入2 層PVC 膜間的空腔內（以下簡稱“透鏡腔”），PVC 膜由于水的壓力及其自身彈性的原因，就會形成凸透鏡。向透鏡腔內注入較少水，PVC 膜形變較小，球面曲度較小，焦距較大，對光的折射作用較小，會聚作用較弱；若繼續向透鏡腔內注水，PVC 膜向外形變更大，進而使球面曲度更大，焦距更小，對光的折射作用更大，會聚作用更強［1］（圖4）。

圖4 變焦水透鏡工作原理

2.1 實驗前準備 將變焦水透鏡放置到眼球模型中的晶狀體位置，注水口朝上，以便在開始注水階段排出進入透鏡腔的空氣。用注射器吸取50℃左右的溫水15 mL（溫水可加大PVC 膜的彈性），注射器出水口朝下，連接注水軟管，然后向透鏡腔內注入6～8 mL 溫水。開始階段，注水軟管內的空氣會在水的推動下進入透鏡腔，由于密度原因會停留在透鏡腔的最上方，此處正好就是注水口處，可反向拉動注射器活塞，這樣就將透鏡腔內的空氣全部抽到了注射器內，這時，2 層PVC膜連同膜之間的水就形成了凸透鏡。抽入注射器內的空氣，同樣由于密度原因會停留在注射器上方，即活塞位置，這樣不論是再次注水還是抽水，空氣均不會再次進入透鏡腔內。

2.2 模擬人眼視網膜成像特點 在離變焦水透鏡20 cm 處，點亮光源（筆者利用的是高亮字母“F”光源），調整變焦水透鏡曲度，即可在眼底位置（視網膜上）呈現一個倒立、縮小的實像（圖5）。

圖5 通過變焦水透鏡成清晰物像

2.3 模擬人眼觀察遠近物體時晶狀體曲度的動態變化 將光源向更遠的位置移動，此時視網膜上的像變模糊，適當抽回少量水，就可重新使視網膜上的像變清晰。在抽水過程中，提醒學生注意水透鏡鏡面的曲度變化。此過程演示了在看遠處物體時，晶狀體的曲度變化過程。

將光源向更近的位置移動，此時視網膜上的像再次變模糊，適當注入少量水，就可重新使視網膜上的像變清晰。同樣，在注水過程中，提醒學生注意水透鏡鏡面的曲度變化。此過程演示了在看遠處物體時，晶狀體的曲度變化過程。

2.4 模擬假性近視的原因及矯正方法 在物像清晰時，向水透鏡注入3～4 mL 溫水后，視網膜上的物像變模糊（圖6）。注水前提醒學生注意水透鏡鏡面曲度變化，學生可很容易地觀察到，此時晶狀體的曲度比原來的曲度大，向學生說明這是假性近視患者的晶狀體狀態，曲度比正常人的晶狀體曲度大。在觀察遠處物體時，假性近視患者的晶狀體，由于曲度無法調節到正常程度，因此，在視網膜上不能呈現清晰的物像，從而看不清遠處物體。進一步演示近視眼的矯正方法，即在晶狀體前放置200 度左右的近視鏡（讓學生用手感知近視鏡鏡片的厚度，對比邊緣部分鏡片厚度和中心部分的鏡片厚度，明確近視鏡的本質是凹透鏡），視網膜上的物像立刻變得清晰［2］（圖7）。

圖6 模擬近視眼成像情況

圖7 近視眼矯正后成像情況

3 小結

用變焦水透鏡替代眼球模型中的晶狀體，既可演示視網膜上的成像特點，又可直觀地展示人眼在觀察遠近物體時晶狀體曲度的動態變化過程，還可輔助說明假性近視的原因和矯正方法，讓學生更好地理解晶狀體在視覺形成過程中的作用，從而培養學生的科學探究精神，發展學生的學科核心素養。