近视眼和远视眼的成因及矫正演示仪

张育霞

(新疆生产建设兵团第二中学　 新疆　乌鲁木齐　　830002)



近视眼和远视眼的成因及矫正演示仪

张育霞

(新疆生产建设兵团第二中学 新疆乌鲁木齐830002)

摘 要：分析了近年来教师在晶状体薄厚变化的模拟方面存在的问题．介绍了近视眼和远视眼的成因及矫正演示仪的制作方法、使用方法及其优点．在改进模拟实验、制作教具过程中，发现水透镜只有是球体时，才能在光屏上呈清晰的像．

关键词：自制支架 球形水透镜原理明了现象明显

1制作背景

近视眼和远视眼的矫正与学生的生活息息相关，应用的物理知识比较多，而要解决这些问题，学生必须了解眼睛的成像原理和调节作用，以及近视眼和远视眼的形成原因．因为晶状体的薄厚变化难以观察，所以学生对这两个知识点的理解有较大难度．要突破这两个难点，通过模拟实验得到结论无疑是一个非常有效的途径．要想实验成功，模拟晶状体薄厚变化是成功的关键．

近年来，许多教师在晶状体薄厚变化的模拟方面进行了积极的探索和实践，取得了一定的进展，但也存在不少问题．

常见的模拟方法大致有以下3种.

(1)用直径相同，焦距不同的凸透镜来模拟晶状体的薄厚变化

实验器材：光具座、焦距不同的凸透镜4个、凹透镜、光屏、蜡烛各1个,装置图如图1所示．

图1　用焦距不同的凸透镜模拟晶状体装置

采用这种方法进行实验，需不停调换焦距不同的凸透镜，不仅步骤繁琐，无法体现观察重点，而且凸透镜的弯曲程度学生也不易观察到．

(2)采用装有“开塞露”的瓶子来模拟晶状体的薄厚变化

有的教师在论文中写到，可采用装有“开塞露”的瓶子来模拟晶状体，通过用手捏来改变其凸起程度，从而模拟人眼中晶状体的薄厚变化．笔者也尝试了用“开塞露”瓶子进行实验，结果在光屏上根本无法观察到清晰的像．

那么怎样的水透镜才能在光屏上呈清晰的像呢?

笔者在一个弹性好的、透光性好的气球内注入凉开水，制成一个水透镜．当水透镜自然下垂呈球体时，在光屏上可观察到物体清晰的像，如果用手上下、前后、左右挤压水透镜时，在光屏上就无法观察到物体清晰的像，说明水透镜只有是球体时，才能在光屏上成清晰的像．“开塞露”瓶子无论怎样挤压都很难使其成为球体，故用“开塞露”瓶子进行实验是不可行的．

(3)用自制教具模拟晶状体的薄厚变化

此教具主要由塑料盒、橡皮膜 、软管、注射器4部分组成．把橡皮膜套在一面开口的塑料盒上用强力胶固定，在塑料盒侧面开两小口，通过用注射器和软管往塑料盒中注水、抽水的办法来模拟晶状体的变化．装置图如图2所示．

图2　用橡皮膜自制教具模拟晶状体装置

用此晶状体模型进行实验，一方面晶状体模型容易漏水，另一方面在注水、抽水时，晶状体模型没有呈球体，在光屏上观察不到物体清晰的像，故用此模型进行实验，实验效果不好．

笔者在工作实践中对于上述存在的问题，进行了积极地思考和探索，经过多次研究，反复实验，自制了教具---近视眼和远视眼的成因及矫正演示仪．教师通过实际使用发现，该演示仪原理明了，现象明显，实验时间适度，可以成功地模拟晶状体的薄厚变化，很好地突破了“眼睛和眼镜”这节课的难点，极大地提高了课堂效率．

2教具装置图

图3为本自制教具的装置图．

图3　用球形水透镜、环形支架模拟晶状体装置

3制作原理

自制一个环形不锈钢支架来模拟眼球，将水透镜悬挂在支架左侧使其一直呈球体状态，并使其紧贴在支架的圆洞内侧，它的一部分会从圆洞中凸出去，形成圆弧，以此来模拟晶状体，这样做的优点是我们从侧面可观察到它的厚度．当注射器给水透镜注水、抽水时，它的厚度会发生变化，焦距也会随之改变，从而模拟睫状体对晶状体的调节作用．

在支架右侧竖直的位置，取一正方形洞，以此来模拟视网膜的位置，这个位置的确定，为后面模拟近视眼和远视眼的成像位置提供了参考面．

4制作材料

长宽厚参数70 cm×10 cm ×0.1 cm的不锈钢1块，挂钩1个，弹性好的无色透明气球1个，LED “F”光源、光屏各1个，100 ml注射器1个，内径约3 mm外径约5 mm长约4 cm的亚克力管1 节，内径约5 mm长约50 cm的橡胶软管1根，废旧近视眼镜、远视眼镜各1副，长宽约为80 cm×25 cm长木板1块，长、宽约9 cm的正方形白色薄塑料板一块．

5制作方法

(1)将不锈钢块制作成如图4所示形状的一个支架．其中AB高8 cm，BC长8 cm，支架最宽处的距离为16 cm，支架高18.5 cm，支架右半部分与左半部分对称．如图4所示．

图4　环形支架尺寸

(2)对不锈钢环形支架做进一步加工、配置部件、整体成形，如图5所示.

图5　成形后的环形支架

在支架左侧竖直的位置，取一直径为6.5 cm的圆洞，方便模拟晶状体．在支架右侧竖直的位置，开一个7 cm×7 cm的正方形洞，用来模拟视网膜及方便光屏前后移动．往一个透光度好、弹性好的气球里用注射器注入凉开水，即可制成一个水透镜．在水透镜封口中插一节准备好的硬亚克力管，用一根橡胶软管将此硬管和一个注射器头相连，将封口处用细线绑紧，便可进行注水和抽水．在支架左上端的弧部外侧，焊一个挂钩，用来挂水透镜．为了美观，给环形支架喷上米黄色的油漆．

(3)用剪刀将长、宽约9 cm的正方形白色薄塑料板剪成内侧水透镜横截面的形状，挂在支架上端的圆孔中，从而将未凸出去的水透镜部分遮住，使学生观察的注意力集中在水透镜凸出圆洞的部分上．如图6所示.

图6　用白色薄塑料板将未凸出去的水透镜部分遮住

(4)将图6所示装置用4个螺丝钉钉在木板上，木板的长宽约80 cm×25 cm．在木板中心画一条线与长边平行，实验时光源和光屏可沿这条线移动，并在这条线的合适位置标上“近景”、“远景”的字样．

6使用方法

(1)正常眼看近景:调节“F”光源、晶状体模型、光屏的高度，使三者的中心处在同一高度，将“F”光源放在“近景”位置，将光屏放在视网膜位置，水透镜中注入400 ml的水，此时光屏上没有清晰的像，当用注射器抽出200 ml的水后，晶状体变厚，观察到光屏上有清晰成像．说明正常眼可以调节晶状体看清近处的物体．

(2)正常眼看远景：将“F”光源放在“远景”位置，将光屏放在视网膜位置，此时光屏上没有清晰的像，用注射器注入200 ml的水，观察到此时晶状体变薄，光屏上有清晰成像．说明正常眼可以调节晶状体看清远处的物体．

(3)近视眼看远景：保持“F”光源仍在“远景”位置，光屏仍在视网膜位置，用注射器抽水，抽出200 ml的水，此时晶状体变凸，变厚，观察到光屏上清晰的像又变模糊，将光屏向前移动，发现成像清晰，说明近视眼成像在视网膜之前．形成近视的原因是晶状体太厚，折光能力太强，或者眼球在前后方向上太长，因此来自远景的光会聚在视网膜前，到达视网膜时已经不是一点而是一个模糊的光斑了，所以近视眼看不清远处的物体．

(4)近视眼矫正：光屏移至视网膜位置，在(3)的基础上在晶状体模型前放一副近视眼镜，发现光屏成像变清晰．

(5) 远视眼看近景：将“F”光源放在“近景”位置，将光屏放在视网膜位置，用注射器注水，注入200 ml的水，此时晶状体凸度变小，变薄，发现光屏上清晰的成像又变模糊，将光屏向后移动，发现成像清晰，说明远视眼成像在视网膜之后．形成远视的原因是晶状体太薄，折光能力太弱，或者眼球在前后方向上太短，因此来自近景的光还没有会聚成一点就到达视网膜了，在视网膜上形成一个模糊的光斑，所以远视眼看不清近处的物体．

(6)远视眼矫正：在上一步的基础上，在晶状体模型前放一副远视眼镜，发现光屏成像变清晰．

7教具优点

(1)光源环保

用LED“F”光源代替蜡烛进行实验，环保、安全可靠、可重复使用．

(2)用水透镜的一部分来模拟晶状体，原理明了， 现象明显

用水透镜的一部分代替放大镜来模拟晶状体，学生可清晰地观察到晶状体的弯曲程度．当注射器往水透镜中注水、抽水时，水透镜从圆洞中凸出去的部分薄厚变化非常明显，教师不用过多描述，学生就可以通过观察现象明白其中的道理．

(3)通过自制环形支架模拟眼球，学生可直观观察到近视眼、远视眼的成像位置.

当模拟近视眼成像时，光屏在正方形洞前才能承接到清晰的像；当模拟远视眼成像时，光屏在正方形洞后才能承接到清晰的像，学生通过观察，能直观感受到近视眼的像成在视网膜之前，而远视眼的像成在视网膜之后．

(4)注水、抽水方便快捷

笔者受潜水艇模型的启发，采用硬管和注射器相连的方法，既实现了快速注水和抽水节约了实验时间，又方便了实验者进行注水和抽水．

(5)晶状体模型制作简单

本教具不仅关键的器材(晶状体模型)制作简单而且更换方便，水透镜破了更换新的气球，注入水后即可投入使用．

8结语

伟大的物理学家麦克斯韦说过，“实验的教育价值往往与仪器的复杂性成反比”．使用教具辅助教学，其目的是直观，便于学生观察，理解和记忆，减轻他们理解抽象知识的困难．

为达到这一目的，笔者在自制教具过程中，不断改进教具方案，起初曾用曲率不同的无色透明饮料瓶装上水模拟晶状体薄厚进行实验，发现成像不清晰，后又想到用焦距不同的圆底烧瓶模拟晶状体的薄厚进行实验，虽然实验现象明显，但在实验过程中需不停地更换烧杯，不便于学生观察和理解，最后想到用球形水透镜的一部分来模拟晶状体进行实验．为使近视眼、远视眼的成像位置直观，自制一个环形支架，可用它的一部分模拟视网膜的位置等．

这一次次改进的动力归功于“教具要简单明了、直观”这个制作理念．

The Causes of Myopia Eye and Hyperopia Eye and

Its correction Demonstration Instrument

Zhang Yuxia

(Xinjiang production and Construction Corps Second Middle School，Urumqi,Xinjiang830002)

Abstract：In recent years there are analyzed in the simulation of lens changeable thickness teacher's question.The causes of myopia and hyperopia and making correction method demonstration instrument、Use method and its advantages.In the modified simulation experiment,making teaching aids，When the water lens is found only in the sphere，To be clear on the light screen.

Keywords：homemade stent;spherical water lens;principle;obvious phenomenon

收稿日期：(2015-09-01)