关于探究眼睛的调节原理自制教具的设计 [复制链接]

[摘要]

目前在物理教学和医学类院校医学物理教学中，由于现行各种版本的教材都是用凸透镜模拟眼睛的晶状体。在探究眼睛成像的原理时，要使远近不同的物体的像成在光屏上，就要换用不同焦距的凸透镜来实现，这与眼睛的实际调节不符。演示近视眼和远视眼晶状体形状改变引起焦距变化时，也只能换用不同焦距的凸透镜来实现。另外，现有的F光源通常采用发光二极管代替，发光点不够集中，以致物体成像不清晰，并且在调节成像实验时，调节非常不方便，无法快速调节成像至最清晰的状态。另一方面，现有的光学教具没有演示光路的教具，更没有同时演示成像情况与光路的关系的教具。笔者自制的演示教具能够解决上述提到的现有的光学仪器存在的操作困难，利用激光光源及水透镜，能够快速模拟晶状体的凸度变化，并且通过调整水透镜的厚度，模拟眼睛成像清晰度，并且通过调节激光光路，快速调节成像至最清晰的状态，同时演示光路中点光源的交会与成像清晰度的关系。

[关键字]光学教具，物理教学，眼睛，眼镜

《探究眼睛的调节原理》是初中物理中关于凸透镜成像知识的再次延伸。教科书从眼睛的构造、成像原理，眼睛的调节作用逐步展开，最后引出视力缺陷及其矫正问题。本节课的难点就是眼睛的视物原理。晶状体相当于一个可变焦的凸透镜，这是学生第一次接触到可变焦的透镜。另外，教科书只要求从实验角度指导凸透镜的成像规律，不要求学生掌握凸透镜成像的光路图，学生在理解远处和近处物点发出的光束有什么区别时，会形成思维上的困难。从而，学生们在理解近视眼、远视眼的成因及其矫正时也就更加缺乏直观的体验。所以，笔者自制了一个能够完整解决以上教学问题的实验教具①：在使用时，机械光圈可以演示瞳孔进光量及像的明暗变化；通过抽水、注水改变水透镜的厚度，实现改变其焦距；演示正常眼、近视眼、远视眼及老花眼的调节时，只需打开激光光源，在烟箱中可以演示光路变化；实现水透镜从固定管下注水、抽水，真实模拟薄透镜成像，且简洁美观；经过多次改进，能做到水的重力对水透镜成像的最小影响。

一、教具的主体结构

本教具的主体结构包括底座、暗箱和光具座，机械光圈，水透镜，LED光源演示器附带激光光束演示（见图1）。

1：暗箱2：底座3：光具座4：带小激光的LED演示光源

5：机械光圈6：水透镜7：注射器8：光屏

二、教具各主要构件的制作

1.暗箱的制作

暗箱的长方体构造的具体尺寸为1.5m╳0.4m╳0.4m（见图2）。整个箱体的材料为硬质PVC版（厚约0.5cm），内部版面全部贴制黑色磨砂面塑料胶纸，箱体后板采用磁贴及小型门活叶固定，方便打开及关闭后板来移动箱体内部器材、演示箱体内部器具而保持箱体内部整体的暗色。

1：透明亚克力前板2：可拆卸锁扣3：硬PVC板

2.演示LED光源的制作

演示LED光源箱体构造的具体尺寸为0.3m╳0.1m╳0.1m（见图3）现在物理实验室通用的F光源都是采用发光二极管，演示成像时存在光源很难保证发光点在一个平面上，从而影响成像效果。所以，此器材中的F光源采用平板LED发光原件贴成F字样（厚约0.2cm），在箱体内部设置电源及开关。两个50mw绿色激光器采用万向节固定的箱体内部，调节两束激光从通光小孔一点射出，利用烟雾可以模拟F光源发出的两条光线，并清晰可见。激光器的电源（3V）及开关同样设置与本箱体的内部。

1：LED演示光源箱体（外部黑色）2：LED“F”字光源（12V）3：通光小孔4：50mw高亮绿色激光器

3.水透镜的制作

利用注射器抽水、注水改变水透镜的厚度，从而改变其焦距，而且要保证清晰成像，是本器具制作的一个难点。经过近30次的实验，最终器材的最佳尺寸得以确定：外环厚约1cm，内径约6.5cm（见图4）。这样，才能保证有足够的光线进入，而又让其中水的重力对透镜焦度的影响降至最低。考虑到密封性，水透镜并没有设计出气口，而是利用注射器多次抽压，既保证注水，又实现抽气。水透镜外环贴制透明的橡皮膜，可采用计生用品。橡皮膜不可过于紧绷，否则注水几次后，几天时间就将发白，影响透明效果，对于后续多次实验也构成极大影响。为保证两侧橡皮膜紧绷程度一致，应事先裁剪好相同厚度橡皮膜，用彩色水笔画好圆圈，然后至少两人操作，利用强力胶粘贴固定。

1：硬质塑料外环（厚约1cm）2：两侧透明橡皮膜3：水透镜支架（内置通水管）4：注射器

4.其他补充器材的设计

（1）关于光屏

通常我们在进行光学实验，尤其是研究凸透镜成像规律实验时，采用白板光屏。虽像的亮度稍微有点影响，但因此教具中有激光光束，为保证学生的用眼安全，采用黑色磨砂面光屏进行承接光束及像。要按成像的清晰程度，黑色光屏反而效果更好。

（2）关于烟雾

有些教师进行光学实验演示光路，喜欢采用烟饼。烟饼化学成分较多，且烟雾快速、浓烈、粉尘太多，不说考虑对学生的安全，其实验效果也一般。所以，本教具采用普通带烟的檀香即可，一是刺激性不大，而是能有持续的烟雾效果。

（3）关于瞳孔

眼睛的瞳孔灵活控制进光量，我们都只是跟学生说说而已。实验室一般很少涉及器材进行讲解，更别说让学生自己进行体验。一般，我们也都是在相机中知道，但真正拆卸机械光圈的教师更是不多，总是感觉有些复杂。其实，市场上有很多零散的可以实现很多物理实验的器材，机械光圈就是其一，且价格也不贵。再有，就是机械光圈能够遮住水透镜外环粘贴橡皮膜的部分不规则区域，使得成像的效果非常明显（见实物图5）。

（4）关于矫正眼镜

对于用实验演示近视眼、远视眼的成因及矫正这部分内容，大部分教师都是采用实验室用的凸透镜和凹透镜进行演示矫正。笔者特意比较了，眼镜的制作工艺相当复杂，但其实未加工的眼镜镜片很便宜。在本实验中，采用真实的眼镜镜片进行试验，一是为了体现真实模拟实际的情况，二是也让学生了解物理与生活真没有那么遥远。

（5）关于外置摄像头

因为本教具为演示教具，为保证学生能够清晰、直观地观察到实验的过程及成像情况，在暗箱内部的顶板上安装了USB借口外置的摄像头。在连接电脑后，能通过投影清晰地观察实验的整个过程及黑色光屏上激光的亮点、成像的情况。

三、教具的使用

1.正常眼的调节演示

利用对水透镜抽水、注水改变其厚度，实现模拟晶状体灵活变焦的调节功能，可以让学生直观地看到眼前远近不同的物体在视网膜上像的变化情况。为了研究方便，我们在F光源上选取一点，模拟其发出众多光线中的两条光线。打开第一支激光笔后，可以观察到，这条光线经晶状体折射后，在视网膜上出现了一个亮点。然后再打开第二支激光笔可以观察到，从同一点发出的两条光线经晶状体折射后，在视网膜上会聚于一点，就是点光源的像点。关掉所有激光笔，在黑色光屏上又能清晰地看到F光源所成的像，也就意味着人能看清眼前的物体。

2.近视眼的成因及矫正演示

将发光LED“F”光源在光具座上适当移远，因此时晶状体（水透镜）较厚，视网膜（黑色光屏）上只出现了模糊的光斑。此时，打开激光笔，从光路可以观察到从发光点发出的两条光线经晶状体（水透镜）折射后，提前会聚了。在提前的会聚点位置重新放置一黑色光屏，关掉激光笔，又能从新光屏上观察到清晰的物体所成的像。然后，撤掉新光屏，重新打开激光笔并在眼球前面放置近视眼镜（凹透镜），让学生可以观察到从发光点发出的两条光线经晶状体（水透镜）折射后，在视网膜上重新会聚。关掉激光笔，视网膜（原黑色光屏）上重新又看到了清晰的像。

3.远视眼的成因及矫正演示

将发光LED“F”光源在光具座上适当移近，因此时晶状体（水透镜）较薄，视网膜（黑色光屏）上又只出现了模糊的光斑。此时，打开激光笔，从光路可以观察到从发光点发出的两条光线经晶状体（水透镜）折射后，会聚在视网膜后了。然后，重新打开激光笔并在眼球前面放置远视眼镜（凸透镜），让学生可以观察到从发光点发出的两条光线经晶状体（水透镜）折射后，在视网膜上重新会聚。关掉激光笔，视网膜（原黑色光屏）上重新又看到了清晰的像。

四、教具的不足及后续改进

首先，此教具整体的制作比较复杂，对于老师自己动手制作有一定的困难。其次，橡皮膜多次使用后，不易存留太长时间，后期更换稍显复杂。后期想法是，不采用强力胶粘贴橡皮膜，而是采用再增加外环胶圈压制，这样后期更换就会容易很多。再有，两个激光器（见图3-4）利用万向节调节两条光线从通光小孔（见图3-3）模拟F光源上一点发出光线的调节稍显精细，不易操作的方便。后期的想法是利用转换装置和齿轮进行共同调节，省去手工一个一个调节的麻烦及不精确性。