“双变”水透镜的制作及应用＊

赵金菊 王爱生

（吉林省前郭县蒙古族中学，吉林 前郭 131100）

所谓的“双变”水透镜是指，利用常见的生活用品自制一个凸凹形状可变化的、焦距长短可变化的透镜.这种自制的“双变”透镜，不仅可方便的实现初中《物理课程标准（2011年版）》透镜部分的几乎所有实验，而且还会通过“动”的透镜来演示透镜凸凹形状的连续变化和透镜焦距长短的“无级”改变，弥补现有实验室只提供固定形状的透镜所带来的单一表象不足，并通过“双变”透镜凸、平、凹形状的连续改变让学生直观生动地感受到事物的变化是从量变到质量的哲学思想.

1 实验装置与制作

“双变”水透镜主体装置及对装置各部件的介绍如图1所示.

制作过程：（1）透镜支架的制作.用钢剧条在直径是5cm塑料管上垂直截取3cm长的一圆环.用电钻在圆环管壁的中间上对称地打2个小孔.把自行车气门芯的有孔螺丝管通过小孔按装上，螺丝管拧好后露出1cm，剩余的部分，再用钢锯条截掉，用来连接乳胶管接头.

（2）固定橡胶膜.在圆环外壁上距两端边缘1cm处，用钢锯条各拉出一个小的约2mm宽的一周凹槽，以便在凹槽处用橡皮筋固定透明橡皮膜，以保证装置的密闭性.取比圆环直径大的透明橡胶皮两张，分别包裹圆环的两端，用橡皮筋套紧.为了使橡皮膜在充水和排水时，能够形成规范的凸凹形状及密闭性好，再取长方形的薄铁皮约1cm×34cm，两端钻有可通过螺丝的小孔，小孔相距约31cm（就是比塑料圆环周长31.14cm的稍短一些）.用螺丝将两孔连接起来形成套环，把这2个圆环套环分别套在塑料圆环两端的橡皮膜上，并将螺丝拧紧，至此橡皮膜固定完毕.

（3）充水封闭装置.在塑料圆环上对称的2个露出的自行车气门芯的螺丝管上，分别套上乳胶管，1个套上5cm长，并夹上止水夹；另1个套上20cm长，也夹上止水夹，并与注射器相连.充水时，将2个止水夹夹在气门芯的金属管上，并通过注射器往“双变”透镜中充水，充满后，将2个止水夹在放回乳胶管上，这样就形成一个稳定封闭的“双变”透镜了.

图1

（4）附属容器的制作.为了充分发挥“双变”透镜的作用，我们还自制了简单的附属容器，就是用玻璃粘成的、2个带有可以活动盖的长方体容器，其大小为15cm×15cm×20cm.

2 “双变”水透镜的应用

由于“双变”透镜具有可变性，因此，它能够实现透镜教学中的多个演示实验，学生对“变化多端”的“双变”透镜的欣赏，会让他们感受到透镜实验魅力无穷、兴奋不已，现说明如下.

（1）演示凸、凹透镜的形状特征.首先，按着充水封闭装置的方法，先将水充到2个橡皮膜相平，即可制成的平行“玻璃砖”.让学生观察2个面是相平.然后，打开注射器这端的止水夹2，继续用注射器加水，使橡皮膜凸起.让学生观察这种透镜是中间厚、边缘薄是凸透镜.最后，用注射器向外吸水，使橡皮膜向内凹陷.让学生观察这种透镜中间薄、两边厚是凹透镜.

（2）演示凸、凹透镜对光线的作用.首先，在两个附属的玻璃长方体容器中，点燃蚊香，充满整个空间，盖好盖子备用，主要用来显示光线通过透镜前后的传播路径.然后，将充有水的橡皮膜平的“双变”水透镜，放置在充满蚊香烟雾的2个附属玻璃长方体容器的中间.最后，用竖起的3个激光玩具笔，从一个附属的玻璃长方体容器平行照射.由于“双变”透镜的2个面是平的，3条平行光线通过时是平行的，表明光通过平行的玻璃砖时传播方向不变.当用注射器充水，使“双变”水透镜形成凸透镜时，3条平行光线靠近主光轴，表明凸透镜对光线有会聚作用如图2所示.当用注射器向外吸水，使“双变”水透镜形成凹透镜时，3条平行光线远离主光轴，表明凹透镜对光线有发散作用.

（3）演示凸透镜焦点的形成.将“双变”水透镜放在已经充好烟雾的2个玻璃附属长方体容器中间，推动注射器的活塞，向“双变”透镜中充水凸起橡皮膜形成凸透镜.让竖直面的3条激光线通过凸透镜，在观察光线向主光轴会聚的基础上，进一步的充水凸起橡皮膜，就会观察到3条平行光线就会聚到一点.这一会聚点就是凸透镜的焦点.同时会观察到凸透镜的橡皮膜越是凸起焦距就会越短.

图2

（4）演示凸透镜成像的规律.首先，在点燃蜡烛和光屏之间放好“双变”水透镜，调节好“双变”水透镜的凸起程度，并调节蜡烛和光屏的距离，使蜡烛的烛焰在光屏上形成一个倒立的缩小的实像.然后，再拉动注射器的活塞向外吸水，使凸透镜的橡皮膜凸起程度变小，可以观察到烛焰在光屏上形成的实像在变大，同时变为模糊，移动光屏到透镜的距离，在光屏上重新观察到放大的实像.最后，继续向外吸水，“双变”透镜形成凹透镜时，光屏上找不到烛焰所成的实像了.

（5）演示不同介质透镜折射本领的大小.首先，将“双变”水透镜放在已经充好烟雾的2个相距5cm的玻璃附属长方体容器中间，并使“双变”水透镜橡皮膜凸起的程度，使这5cm的空隙刚好充满为止.然后，使竖直面上的3条平行光线通过2个已经充好烟雾的2个玻璃附属长方体容器.让学生观察折射的程度，并用水彩笔，在玻璃容器上做标记.最后，打开2个止水夹，往“双变”透镜中充入酒精，用止水夹关闭排水口，继续充入酒精，使橡皮膜凸起的的程度仍充满玻璃容器之间的5cm空隙为止.观察3条平行光线通过这个“酒精”透镜的折射程度与上次标记的折射程度不同.再换煤油等其他液体来演示，折射的程度还不同，从而得到不同的介质的折射本领不同.

（6）演示近视眼的形成与矫正.在点燃蜡烛和光屏之间放好“双变”水透镜，调节好“双变”水透镜的橡皮膜的凸起程度，并调节蜡烛和光屏的距离，使蜡烛的烛焰在光屏上形成一个倒立的缩小的实像.烛焰相当于物体、凸透镜相当于人的晶状体，光屏相当于人的视网膜.烛焰远离时，光屏上的像就形成模糊了.这就像近视眼的人看远处的物体时，调节晶状体的捷状体由于长期劳累，不能使晶状体变薄而光线落在视网的前面一样.这时，我们在烛焰和凸透镜之间放一凹透镜，光屏上重新观察到清晰的倒立的烛焰了.这就是近视眼人佩戴眼镜的简单道理了.

3 几点说明

（1）组装“双变”水透镜时，透镜密闭性的好坏是本实验成功的关键.主要是2个乳胶膜固定时，在塑料圆柱环两端涂抹凡士林，再用橡皮筋套紧橡皮膜时要对好一周的凹槽，并拧紧套在塑料圆环两端的橡皮膜上的铁皮圆环.

（2）固定橡皮膜时，还要使塑料圆柱管两端的橡皮膜绷紧有一定的弹力后再固定，因为弹性较大的橡皮膜能减小由于水的重力而影响“双变”透镜的凸凹形状.

（3）本实验装置创新之处在于通过“双变”透镜表面的凸、平、凹形状的连续改变，有助于学生观察和理解凸、平、凹透镜的形状与规律，具有可对比性，说服力大.

1 张晓玲，黄仪华.利用水透镜实现眼睛变焦机能的模拟.中小实验与装备，2008（6）：50