陳中海 周 穎 陳秋松 張 勇

（1.西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市楊家坪中學(xué)，重慶 400050）

透鏡一般可分為凸透鏡（中間厚邊緣?。┖桶纪哥R（中間薄邊緣厚）兩大類.傳統(tǒng)的透鏡是由玻璃、樹脂等固體透明物質(zhì)制成的，其厚薄度是很難再改變的.若要實(shí)現(xiàn)變焦，則需要更換不同厚薄度的透鏡或者需要2個(gè)及2個(gè)以上的透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，通過改變其相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)變焦.由于這樣的變焦系統(tǒng)存在透鏡數(shù)目多、體積大、變焦速度慢等弊端，難以實(shí)現(xiàn)變焦系統(tǒng)的靈敏化和微型化.因此，研制焦距連續(xù)可調(diào)的微型透鏡具有重要的技術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.本文中，采用生活中常見的材料，制作了一種可變焦的液態(tài)透鏡，通過機(jī)械方法對(duì)透鏡腔體內(nèi)的液體加壓，使液態(tài)在腔體內(nèi)重新分布，從而改變腔體表面透明彈性薄膜的曲率半徑，實(shí)現(xiàn)液態(tài)透鏡的變焦功能.

圖1

1 可變焦液態(tài)透鏡的制作

（1）所用材料.

鋼鋸、刻度尺、砂紙、棉線、小刀、容積為20mL的注射器（帶針頭）、礦泉水瓶、直徑約為4mm長(zhǎng)度為10cm的空心水芯筆筆芯、直徑5cm長(zhǎng)度1cm的普通硬質(zhì)塑料PVC水管、502膠水、十字螺絲刀、透明熱硫化硅膠彈性薄膜（HTV）.

（2）制作方法.

①制作透鏡支架.用鋼鋸從直徑為5cm的普通硬質(zhì)塑料PVC水管上鋸下長(zhǎng)度為1cm左右的一段，然后用砂紙將截取部分的兩端磨平至光滑，讓水管兩端所在的橫截面相互平行且與水管的中軸線垂直；再用直徑約為4mm的十字螺絲刀在水管側(cè)壁中點(diǎn)處鉆一個(gè)圓形小孔（與筆芯直徑等大）如圖1（a）所示，將筆芯插入水管的鉆孔中，用502膠水將筆芯和水管的連接處粘牢，如圖1（b）所示.

② 封套透明彈性膜.將透明的熱硫化硅膠彈性薄膜套在已做好的透鏡支架上，在水管和筆芯的連接處用力擰緊薄膜，使繃緊后的兩膜面平行，用棉線將透明薄膜緊緊的系在筆芯上，用小刀將多余的薄膜割去，最后用502膠水將系在筆芯上的薄膜粘牢使其密封，如圖2所示.

③ 固定支架.用十字螺絲刀在礦泉水瓶蓋中心處鉆一個(gè)直徑約為4mm的圓形小孔，如圖3（a）所示，然后將套有薄膜的透鏡支架插入瓶蓋的鉆孔中，并用502膠水將其密封粘牢，如圖3（b）所示.

圖2

圖3

圖4

④ 充液體封閉裝置.在礦泉水瓶?jī)?nèi)裝滿某種液體（折射率分別為n＝1.3333、n＝1.3600、n＝1.4750的純凈水、酒精、甘油），然后用容積為20mL帶針頭的注射器將適量的液體緩慢地注入透鏡腔體中并注意排出腔體內(nèi)的空氣，如圖4（a）所示；再將液態(tài)透鏡快速插入裝滿液體的瓶子中并擰緊瓶蓋使其密封，這樣一個(gè)可連續(xù)變焦的液態(tài)透鏡就制成了，如圖4（b）所示.在空氣中，當(dāng)用力擠壓瓶子時(shí)，瓶?jī)?nèi)的液體進(jìn)入透鏡腔體內(nèi)，彈性薄膜的膜面就會(huì)變得凸起而形成焦距可以連續(xù)改變的凸透鏡；當(dāng)松開手時(shí)，透鏡腔體內(nèi)的液體在大氣壓力的作用下會(huì)流入瓶子中，彈性薄膜的膜面就會(huì)向內(nèi)凹陷，形成焦距可以連續(xù)改變的凹透鏡.因此，通過擠壓、松開瓶子的方法來調(diào)節(jié)液態(tài)透鏡腔體內(nèi)的液體量，就可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)從凸透鏡到凹透鏡的連續(xù)變焦.

（3）注意事項(xiàng).

①組裝液態(tài)透鏡時(shí)，透鏡密封性的好壞是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.首先，制作透鏡支架時(shí)筆芯與PVC塑料水管一定要用502膠水粘牢密封；其次，套透明彈性薄膜時(shí)一定要用力旋緊薄膜并用棉線牢牢系住，同時(shí)用502膠水對(duì)薄膜進(jìn)行密封；最后，用502膠水對(duì)瓶蓋和筆芯的連接處進(jìn)行密封，同時(shí)擰緊瓶蓋.

② 液態(tài)透鏡的直徑不宜超過6cm，厚度不宜超過1cm.若直徑和厚度過大，當(dāng)此透鏡豎直放置時(shí)，由于液態(tài)透鏡膜面的上下部分受液體的重力作用而使膜面下垂，從而使該透鏡成為豎直方向上變焦的透鏡，光屏上的像有重影；固定彈性薄膜時(shí)，使水管兩端的薄膜繃緊有一定彈力后再固定，這樣可以減小由于液體重力的影響而引起的膜面下垂.

③ 擠壓礦泉水瓶時(shí)，用力要平穩(wěn)，速度要緩慢，防止浸入透鏡腔體中的液體量過多而使透鏡破裂.

2 液態(tài)透鏡的用途

由于可調(diào)焦液態(tài)透鏡具有較好的成像效果，且在一定體積變化范圍內(nèi)符合透鏡的成像規(guī)律.因此，液態(tài)透鏡在物理教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)中有著重要的應(yīng)用，它可以讓學(xué)生直觀生動(dòng)地感受透鏡的成像原理以及用液態(tài)透鏡實(shí)驗(yàn)的無窮魅力.

（1）用液態(tài)透鏡演示凸透鏡的成像規(guī)律.

用LED燈取代傳統(tǒng)的蠟燭做光源，用硬白紙板做光屏，用礦泉水瓶做底座（瓶?jī)?nèi)裝入適量的水，防止由于重心過高而使實(shí)驗(yàn)裝置傾倒），調(diào)節(jié)光源、液態(tài)透鏡、光屏在同一直線、同一高度上，如圖5（a）所示.用手?jǐn)D壓瓶子使液態(tài)透鏡的薄膜呈凸起狀態(tài)，使LED燈的光透過透鏡后在光屏上成一個(gè)倒立縮小的實(shí)像，如圖5（b）所示.然后，適當(dāng)減小擠壓瓶子的力，使透鏡的彈性薄膜的凸起程度減小，可以觀察到LED燈的光透過透鏡后在光屏上的像會(huì)變大，同時(shí)也會(huì)變模糊，移動(dòng)光屏與透鏡之間的距離到合適位置時(shí)，在光屏上會(huì)重新觀察到倒立放大的實(shí)像；當(dāng)完全松手后，在大氣壓力的作用下透鏡的彈性薄膜就會(huì)由凸面變成凹面，在光屏上再也找不到LED燈光的實(shí)像了.

圖5

（2）演示不同介質(zhì)液態(tài)透鏡折射本領(lǐng).

首先，在3個(gè)液態(tài)透鏡里面分別注入折射率為n＝1.3333的純凈水（水透鏡）、n＝1.3600的酒精（酒精透鏡）、n＝1.4750的甘油（甘油透鏡），且保持3個(gè)透鏡的凸起狀態(tài)相同即曲率半徑相同.然后，用智能手機(jī)的手電筒做平行光源分別測(cè)出折射率為1.3333的水透鏡、1.3600的酒精透鏡、1.4750的甘油透鏡的焦距f1＝17.50cm、f2＝17.10cm、f3＝15.80cm.說明，在液態(tài)透鏡曲率半徑相同的情況下，液態(tài)介質(zhì)的折射率越大，液態(tài)透鏡的變焦能力就越明顯.

（3）模擬人眼看遠(yuǎn)近不同物體時(shí)晶狀體的調(diào)節(jié)情況.

人的眼睛是一個(gè)精巧的變焦透鏡系統(tǒng).在看遠(yuǎn)近不同物體時(shí)，眼睛里的睫狀肌能夠靈巧的壓縮和拉升起凸透鏡作用的晶狀體，通過調(diào)節(jié)晶狀體的厚薄度來改變晶狀體的焦距，從而使遠(yuǎn)近不同的外界物體清晰的像都能成在視網(wǎng)膜上，而這個(gè)精巧的變焦系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中是難以找到的.如圖5（a）所示，用LED燈、液態(tài)透鏡、光屏分別模擬眼睛所看到的物體、晶狀體、視網(wǎng)膜，保持光屏與透鏡之間的距離不變（即晶狀體與視網(wǎng)膜之間的距離恒定）.打開LED燈且靠近透鏡，觀察到光屏上的像是模糊的，用手?jǐn)D壓瓶子使透鏡變厚，在變厚的過程中清晰的像出現(xiàn)在光屏上.說明看近處物體時(shí)，睫狀肌收縮，晶狀體變厚，對(duì)光的折射能力變強(qiáng)，能夠使近處物體清晰地像成在視網(wǎng)膜上；然后，保持透鏡的凸起厚度不變，增大LED燈與透鏡之間的距離，觀察到光屏上的像變小的同時(shí)也變模糊了，減小擠壓瓶子的力使透鏡變薄，在變薄的過程中LED燈清晰的像又成在光屏上.說明看遠(yuǎn)處物體時(shí)，睫狀肌拉升，晶狀體變薄，對(duì)光的折射能力變?nèi)?，能夠使遠(yuǎn)處物體清晰的像成在視網(wǎng)膜上.

（4）模擬近視眼與遠(yuǎn)視眼的形成及矯正.

由于長(zhǎng)時(shí)間地看近處物體，晶狀體一直處于比較厚的狀態(tài).再觀察遠(yuǎn)處物體時(shí)，睫狀肌不能有效地使晶狀體變薄，這樣遠(yuǎn)處物體清晰的像成在視網(wǎng)膜前，這就是近視眼的形成原因.打開LED燈且靠近液態(tài)透鏡，擠壓瓶子使光屏上呈現(xiàn)LED燈清晰的像.保持透鏡的厚度不變，把LED燈移向遠(yuǎn)處，光屏上的像就變模糊了，在液態(tài)透鏡前放置一個(gè)凹透鏡，光屏上重新觀察到LED燈清晰的像，這就是近視眼的矯正原理；人到老年時(shí)，睫狀肌變得松弛，看近處物體時(shí)睫狀肌不能有效地使晶狀體變厚，這樣近處物體清晰的像成在視網(wǎng)膜后，這就是遠(yuǎn)視眼的形成原因.打開LED燈且遠(yuǎn)離液態(tài)透鏡，調(diào)節(jié)透鏡的厚度使遠(yuǎn)處的LED燈清晰地像成在光屏上.保持透鏡厚度不變，將LED燈靠近透鏡，光屏上的像變模糊了，在液態(tài)透鏡的前面放置一個(gè)凸透鏡，光屏上重新觀察到LED燈清晰的像，這就是遠(yuǎn)視眼的矯正原理.

3 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)中制作的液態(tài)透鏡成功地實(shí)現(xiàn)了焦距連續(xù)可調(diào)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固體透鏡的不足.同時(shí)液態(tài)透鏡還存在一些不足之處，例如，液態(tài)透鏡的光軸不是很穩(wěn)定；成像的質(zhì)量不是很清晰；焦距的變化范圍不是很大等問題.因此，在今后的制作過程中可做如下的改進(jìn)：（1）選用密度小的透明液體作為透鏡腔體的填充介質(zhì)，降低液體的重力作用對(duì)透鏡光軸的影響以及使透鏡的膜面下垂；（2）選用折射率更高的液體作為可調(diào)焦液態(tài)透鏡的填充介質(zhì)，以增大變焦范圍；（3）選用折射率和透鏡腔體內(nèi)的液體折射率更匹配的彈性薄膜，以提高成像的清晰程度.

1 張曉玲，黃儀華.利用水透鏡實(shí)現(xiàn)眼睛變焦機(jī)能的模擬［J］.中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2008（6）：50.

2 張友華.一種變焦透鏡的研制及實(shí)用案例［J］.物理教師，2015（5）：44－45.