冰透镜

李湘黔

STEM知识素养

一、人文知识

冰在阳光的照射下会融化，但冰透镜对着太阳却能聚光使艾绒着火。关于冰透镜，早在我国西汉《淮南万毕术》（约成书于公元前2世纪）中就有记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”其后，西晋张华的《博物志》中也有类似记载。

清代科学家郑复光根据《淮南万毕術》的记载，曾亲自动手做了实验，证实冰透镜可以取火。他在我国第一部较完整的光学专著《镜镜冷痴》中写道：“将一只底部微凹的锡壶，内装沸水，用壶在冰面上旋转，可制成光滑的冰透镜，利用它聚集日光，可使纸点燃。”

2006年第四届全国特殊奥林匹克运动会召开前，世界冬季特奥会速滑金牌获得者王征与爱心大使——我国著名歌唱家李双江在哈尔滨松花江北侧的太阳岛上共同手持取火棒，将取火棒对着用松花江里的冰块制成的冰透镜的焦点，成功采集了圣火。

二、科学知识

冰透镜实际上相当于光学元件中的凸透镜（中间厚、边缘薄）。凸透镜可以使跟主光轴平行的光线聚集在主光轴上的一点，这个点就是焦点（F）。焦点到凸透镜的光心（0）的距离是焦距（f）。如图所示，将太阳光视作一束平行光，经过凸透镜发生折射后，光线会聚到焦点处，形成光斑。光斑处温度升高一段时间后，使易燃物达到燃点，从而燃烧。

STEM活动实践

二、创意实践

利用冰透镜使稻草燃烧

（一）材料

中间为凸透镜形状的模具（建议使用3D打印机制作）、清水、冰箱、蘸酒精的稻草。

（二）创意参考步骤

1.向模具中注满水，置于冰箱中冷冻三小时后取出，拆开模具，得到一块中间厚边缘薄的冰透镜。

2.天气晴好的正午时分，利用冰透镜在地面上找到光斑。将蘸酒精的稻草置于光斑处，静置约两分钟后，稻草被点燃。

3.换用光学元件凸透镜进行取火，比较两次稻草被点燃的快慢。初步讨论焦点处温度升高的影响因素。

二、创意改良

1.分别换用不同厚度、不同镜面半径的凸透镜，测量凸透镜到光斑的距离（即焦距）。通过实验探究焦距与凸透镜的厚薄程度有何关系，并讨论凸透镜厚薄程度、镜面半径对取火快慢的影响。

2.冰透镜作为取火器有何缺点？通过对光斑处温度变化的测量，你能否设计出与之相同原理的新型取火器？

3.利用3D打印机制作中间薄、边缘厚的凹面冰透镜模具。以此制作的凹面冰透镜能聚光取火吗？请利用凹透镜的光学原理进行解释。

三、创意挑战

1.通过查阅资料，了解森林防火知识。自主组织一次塑料瓶回收的环保实践活动。

2.为什么烈日下放在阳台上的鱼缸有可能使窗帘着火？为什么烈日下洗车一定要擦干？能否尝试用科学知识解释这些现象？写出你知道的其他与凸透镜聚光有关的例子，并相互交流讨论。

3.利用冰透镜进行实验，自主设计实验步骤，探究学习凸透镜的成像规律。

（编辑Seven）