初中物理创新实验：变焦水透镜——设计方案

初中物理创新实验 变焦水透镜 ——— 一、制作原因 “透镜及其应用”是初中物理教学中的重要内容。 在这部分的教学中,学生知道:凸透镜对光具有会聚作用;凹透镜对光具有发散作用。那为什么凸透镜对光具有会聚作用,而凹透镜对光又具有发散作用呢?学生会问。老师这时便对学生讲:这是因为光由空气进入玻璃、水等透明物质会发生折射的原因……。随后,向学生展示几种透镜,但都是玻璃透镜,没有一个用其它做的。有些学生便追问:能用其他材料做透镜吗?老师又不得不来一长串解释,费劲!但结果是学生听后还是茫然。假如,这时有一个水做的透镜展示给学生,结果会怎样呢?我想,效果一定会很好。这是其一。 其二、在教学透镜的焦点与焦距时,老师会对学生讲:透镜焦距的大小,是由做透镜的材料和透镜的凹凸程度决定的……;有些老师也会给学生展示一个较凸的透镜和一个较平的透镜,并做对比实验。殊不知,实验室提供的透镜,一般薄厚都差不多,还带着边框,靠眼睛难以分辨;还有,演示中没有渐变过程,动态效果不是很好。 其三、在学到“眼睛与眼镜”一节时,遇到“……当睫状体放松时,晶状体变平,……;当睫状体收缩时,晶状体变凸,……”因为实验室(至少我校的)根本没有可以变凸变平的透镜,那就只能靠一 1 张嘴了。整整一节课的讲,听的学生丈二和尚莫不着头脑。 鉴于以上三个原因,我想,假如有一种可以通过变凸凹程度来调整焦距的透镜,那多好啊;于是,我经过一段时间的潜心钻研,终于制成了这种仪器——变焦水透镜。 二、基本结构和原理 如图一所示,变焦水透镜是利用光从一种介质进入另一种介质时会发生折射,将不同于空气的透明物质——水,制成球面;其折射面为凸面时,对光具有会聚作用;折射面为凹面时,对光又有发散作用;并且其对光的会聚或发散作用的大小与球面半径成反比的原理制成的。 变焦水透镜用作凸透镜时,其变焦是在透镜腔内水满的基础上,通过向透镜腔内注入较少水,薄膜形变较小,球面半径较大,焦距较大,对光的折射作用较小,会聚作用较弱;若继续向透镜腔内注水,薄膜向外形变更大,进而使球面半径更小,焦距更小,对光的折射作 用更大,会聚作用更强。 变焦水透镜用作凹透镜时,其变焦是在透镜腔内水满的基础上,通过从透镜腔内抽出较少水,薄膜发生较小形变,球面半径较大,焦距较大,对光的折射作用较小,发散作用较弱;若从透镜腔继续抽水,薄膜向内形变更大,进而使球面半径更小,焦距更小,对光的折射作用更大,发散作用更大。 三、基本性能 1、成凸透镜时 2、成凹透镜时 图二 最小焦距 图三 最大焦距(可无限大) 图四 对光的发散作用 下面重点以模拟眼睛的成像过程为例,来给大家简要介绍一下它的性能: 使用举例: 例1:演示眼睛看清近处物体的过程 图五演示眼睛看清近处物体的过程 如图五所示,当眼睛看近处物体时,由于近处物体反射的光(或自身发的光)相比远处物体来说更发散一些;又因为视网膜到晶状体的距离保持不变,这就要求晶状体较凸些,这个过程由睫状体收缩来完成;这样,就会使射来的光线发生较大的偏折,进而将清晰的像呈在视网膜上。这一过程,可以通过使用变焦水透镜上的注射器往水透镜中注入水,使水透镜变凸来完成。 例2:演示眼睛看清远处物体的过程 图六演示眼睛看清远处物体的过程 如图六所示,当眼睛看远处物体时,由于远处物体反射来的光(或自身发出的光)相比近处物体来说更平行一些;又因为视网膜到晶状体的距离保持不变,这就要求晶状体较平些,这个过程由睫状体放松来完成;这样,就会使射来的光线发生较小的偏折,进而将清晰的像呈在视网膜上。这一过程,可以通过使用变焦水透镜上的注射器从水透镜中吸出一些水,使水透镜变平来完成。 继续阅读