焦 雷

（南京外國語學校仙林分校，江蘇 南京 210023）

凸透鏡成像的規(guī)律、照相機與眼球——視力的矯正兩課是蘇科版物理教材八年級上冊第4章第3、4節(jié)的內(nèi)容，［1］為了更好地體現(xiàn)課標中從生活走向物理，從物理走向社會的教學理念，［2］以及考慮到初中生年齡特點（學生對事物的認識是形象、具體化的，對思維的要求較低，物理本身就是一門包含很多科學思維的學科，所以要關(guān)注對學生思維的培養(yǎng)［3］），筆者利用牛眼晶狀體進行實驗，以達到學科教學的目的.

1 課本實驗回顧

1.1 凸透鏡成像的規(guī)律

（1）記錄所選凸透鏡的焦距f=______cm.

（2）如圖1所示組裝并調(diào)整實驗器材，使燭焰和光屏的中心位于凸透鏡的主光軸上.

圖1

（3）使燭焰從距離凸透鏡較遠處逐次靠近透鏡，每次都調(diào)節(jié)光屏到凸透鏡的距離，使燭焰在光屏上成像，注意觀察，像的大小、正倒是如何隨物距的減小而變化的？

（4）調(diào)整物距，使燭焰在光屏上成倒立、縮小的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

（5）再調(diào)整物距，使燭焰在光屏上成倒立、放大的像，多做幾次，測量并記錄物距和像距.

表1

（6）分析實驗數(shù)據(jù)，你認為在何種情況下可以得到倒立、等大的像？試一試，成倒立、等大的像時，焦距、物距和像距各是多少？

表2

（7）當物距小于焦距時，移動光屏，在光屏上能看到燭焰的像嗎？通過透鏡觀察燭焰，你能看到它的像嗎？這個像是放大的還是縮小的，是正立的還是倒立的？將光屏置于像的位置，你能直接在光屏上看到像嗎？

總結(jié)：分析上述各表中的數(shù)據(jù)，總結(jié)出凸透鏡成像的規(guī)律.

1.2 模擬近視眼成像實驗

如圖2所示的凸透鏡看作眼球的晶狀體，將光屏看作視網(wǎng)膜.給“眼睛”戴上近視眼鏡，使燭焰在“視網(wǎng)膜”上成像，并標出此時光屏的位置.移去近視眼鏡，光屏上的像變得模糊了，這就是近視眼所看到的景象.

圖2

移動光屏，再使燭焰在光屏上成像，并標出此時光屏的位置.

2 模擬近視眼成像實驗的改進

2.1 摘除牛眼晶狀體

為了讓學生能夠更加深刻地理解凸透鏡成像規(guī)律，筆者在本文中利用牛眼晶狀體替代傳統(tǒng)的凸透鏡，根據(jù)生物學知識（晶狀體外部由晶狀體囊膜構(gòu)成，內(nèi)部由玻璃體填充）可將牛眼晶狀體近似看作凸透鏡，考慮到要進行較精細的光學實驗操作，因此選用晶狀體較大的牛眼.首先將取下的完整牛眼進行清洗消毒，接下來將剝離下來的牛眼晶狀體放置于燒瓶夾上并固定，調(diào)整好牛眼晶狀體的位置后再次用酒精輕微沖刷，以防止后續(xù)實驗過程中睫狀體殘留物的干擾，如圖3至圖5所示（注：剝離晶狀體要帶護目鏡、口罩等防止病菌感染）.

圖3

圖4

圖5

2.2 牛眼晶狀體（凸透鏡）成像

將燒瓶夾及牛眼晶狀體整體放置于光具座上，并將光源（F燈）、光屏分別放置在晶狀體兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)光源、光屏可以清晰地在光屏上看到成倒立、縮小的實像，如圖6所示.從圖6中可以看出物體（光源）位于64cm刻度線處，視網(wǎng)膜（光屏）位于73cm刻度線處，晶狀體（凸透鏡）位于約72cm刻度線處，與眼球成像原理中物距、像距的范圍相一致（u＞2f，f＜v＜2f）.

圖6

通俗的近視眼定義為：近視是屈光不正的一種.當眼在調(diào)節(jié)放松狀態(tài)下，平行光線進入眼內(nèi)，其聚焦在視網(wǎng)膜之前，這導致視網(wǎng)膜上不能形成清晰像，稱為近視眼.生活中長期疲勞用眼、遺傳等原因都會導致近視眼的形成.

2.3 近視眼晶狀體成像及矯正

在實驗中利用燒瓶夾下面的螺栓使燒瓶夾不斷夾緊，致使晶狀體發(fā)生擠壓而變得更加突出，在光源、光屏位置都不變的情況下可以觀察到像逐漸變得模糊起來，與近視眼情況類似（如圖7所示）.但是在這種情況下，光源所成的像究竟是在光屏之前還是光屏之后呢？究竟是近視眼還是遠視眼呢？因此需要進一步探究.

圖7

本文中采用的方法是將A4紙疊加制成一個紙板，將其黏貼在光屏前方，光屏位置保持不變（由圖8可知），通過不斷增加紙張發(fā)現(xiàn)可在其上形成一個倒立、縮小的實像，由此現(xiàn)象可知像成在了光屏前方.之后將黏貼的A4紙板撤掉像再次恢復到之前的模糊狀態(tài)，調(diào)節(jié)光屏從73cm刻度線處逐漸遠離晶狀體，發(fā)現(xiàn)始終無法在光屏上獲得清晰的像.經(jīng)過上述實驗對比發(fā)現(xiàn)晶狀體發(fā)生變化后（更加突出），的確使像成在了視網(wǎng)膜前方，與近視眼眼球晶狀體成像一致.

圖8

近視眼眼球的晶狀體因形變導致焦距變小，造成像成在視網(wǎng)膜前方，解決辦法只需將光線相對發(fā)散即可.本文中采用給牛眼晶狀體“佩戴近視眼鏡”（凹透鏡）的方式，即在晶狀體與光源之間放置一枚凹透鏡，在光源、光屏位置不動的情況下撤掉紙板，不斷調(diào)節(jié)凹透鏡的位置最終可使發(fā)散的光線經(jīng)晶狀體折射后在光屏上成清晰的倒立、縮小實像，如圖9所示.

圖9

通過以上模擬近視眼眼球成像及矯正實驗，再次驗證近視眼晶狀體成像在視網(wǎng)膜前方，需要通過使光線發(fā)散的方式使像恢復到視網(wǎng)膜上.使光線發(fā)散的普遍方式是采用本實驗中的“佩戴眼鏡（凹透鏡）”，使光線先經(jīng)凹透鏡發(fā)散后再經(jīng)晶狀體成像在視網(wǎng)膜上.生活中也可以采用激光手術(shù)的方法，將已形變的晶狀體變薄，致使其對光線的折射能力減弱，最終也可使光線重新匯聚在視網(wǎng)膜上.

3 本實驗對課堂教學的啟示

（1）首先通過進行凸透鏡成像實驗對凸透鏡成像規(guī)律有所了解，使學生能夠準確判斷在不同物距下的成像特點，并可以根據(jù)這些規(guī)律辨析相關(guān)應(yīng)用的原理，知道眼球成像的本質(zhì)就是凸透鏡成像.

（2）讓學生經(jīng)歷模擬近視眼成像及矯正過程實驗，使學生更加深刻了解到近視眼是由于晶狀體在疲勞等因素作用下發(fā)生形變，導致成像在視網(wǎng)膜前方，可以通過外加凹透鏡（近視眼鏡）的方式使光線發(fā)散，使像回落到視網(wǎng)膜上，在應(yīng)用中增加了思維含量.［4］

（3）通過本次學科融合實驗，很大程度上激發(fā)了學生的物理學習興趣，體現(xiàn)了課標中從生活走向物理，從物理走向社會、注意學科滲透，關(guān)系科技發(fā)展的課程基本理念，也與提高全體學生科學素養(yǎng)的義務(wù)教育物理課程目標相一致.