焦 雷

（南京外国语学校仙林分校，江苏 南京 210023）

凸透镜成像的规律、照相机与眼球——视力的矫正两课是苏科版物理教材八年级上册第4章第3、4节的内容，［1］为了更好地体现课标中从生活走向物理，从物理走向社会的教学理念，［2］以及考虑到初中生年龄特点（学生对事物的认识是形象、具体化的，对思维的要求较低，物理本身就是一门包含很多科学思维的学科，所以要关注对学生思维的培养［3］），笔者利用牛眼晶状体进行实验，以达到学科教学的目的.

1 课本实验回顾

1.1 凸透镜成像的规律

（1）记录所选凸透镜的焦距f=______cm.

（2）如图1所示组装并调整实验器材，使烛焰和光屏的中心位于凸透镜的主光轴上.

图1

（3）使烛焰从距离凸透镜较远处逐次靠近透镜，每次都调节光屏到凸透镜的距离，使烛焰在光屏上成像，注意观察，像的大小、正倒是如何随物距的减小而变化的？

（4）调整物距，使烛焰在光屏上成倒立、缩小的像，多做几次，测量并记录物距和像距.

（5）再调整物距，使烛焰在光屏上成倒立、放大的像，多做几次，测量并记录物距和像距.

表1

（6）分析实验数据，你认为在何种情况下可以得到倒立、等大的像？试一试，成倒立、等大的像时，焦距、物距和像距各是多少？

表2

（7）当物距小于焦距时，移动光屏，在光屏上能看到烛焰的像吗？通过透镜观察烛焰，你能看到它的像吗？这个像是放大的还是缩小的，是正立的还是倒立的？将光屏置于像的位置，你能直接在光屏上看到像吗？

总结：分析上述各表中的数据，总结出凸透镜成像的规律.

1.2 模拟近视眼成像实验

如图2所示的凸透镜看作眼球的晶状体，将光屏看作视网膜.给“眼睛”戴上近视眼镜，使烛焰在“视网膜”上成像，并标出此时光屏的位置.移去近视眼镜，光屏上的像变得模糊了，这就是近视眼所看到的景象.

图2

移动光屏，再使烛焰在光屏上成像，并标出此时光屏的位置.

2 模拟近视眼成像实验的改进

2.1 摘除牛眼晶状体

为了让学生能够更加深刻地理解凸透镜成像规律，笔者在本文中利用牛眼晶状体替代传统的凸透镜，根据生物学知识（晶状体外部由晶状体囊膜构成，内部由玻璃体填充）可将牛眼晶状体近似看作凸透镜，考虑到要进行较精细的光学实验操作，因此选用晶状体较大的牛眼.首先将取下的完整牛眼进行清洗消毒，接下来将剥离下来的牛眼晶状体放置于烧瓶夹上并固定，调整好牛眼晶状体的位置后再次用酒精轻微冲刷，以防止后续实验过程中睫状体残留物的干扰，如图3至图5所示（注：剥离晶状体要带护目镜、口罩等防止病菌感染）.

图3

图4

图5

2.2 牛眼晶状体（凸透镜）成像

将烧瓶夹及牛眼晶状体整体放置于光具座上，并将光源（F灯）、光屏分别放置在晶状体两侧，通过调节光源、光屏可以清晰地在光屏上看到成倒立、缩小的实像，如图6所示.从图6中可以看出物体（光源）位于64cm刻度线处，视网膜（光屏）位于73cm刻度线处，晶状体（凸透镜）位于约72cm刻度线处，与眼球成像原理中物距、像距的范围相一致（u＞2f，f＜v＜2f）.

图6

通俗的近视眼定义为：近视是屈光不正的一种.当眼在调节放松状态下，平行光线进入眼内，其聚焦在视网膜之前，这导致视网膜上不能形成清晰像，称为近视眼.生活中长期疲劳用眼、遗传等原因都会导致近视眼的形成.

2.3 近视眼晶状体成像及矫正

在实验中利用烧瓶夹下面的螺栓使烧瓶夹不断夹紧，致使晶状体发生挤压而变得更加突出，在光源、光屏位置都不变的情况下可以观察到像逐渐变得模糊起来，与近视眼情况类似（如图7所示）.但是在这种情况下，光源所成的像究竟是在光屏之前还是光屏之后呢？究竟是近视眼还是远视眼呢？因此需要进一步探究.

图7

本文中采用的方法是将A4纸叠加制成一个纸板，将其黏贴在光屏前方，光屏位置保持不变（由图8可知），通过不断增加纸张发现可在其上形成一个倒立、缩小的实像，由此现象可知像成在了光屏前方.之后将黏贴的A4纸板撤掉像再次恢复到之前的模糊状态，调节光屏从73cm刻度线处逐渐远离晶状体，发现始终无法在光屏上获得清晰的像.经过上述实验对比发现晶状体发生变化后（更加突出），的确使像成在了视网膜前方，与近视眼眼球晶状体成像一致.

图8

近视眼眼球的晶状体因形变导致焦距变小，造成像成在视网膜前方，解决办法只需将光线相对发散即可.本文中采用给牛眼晶状体“佩戴近视眼镜”（凹透镜）的方式，即在晶状体与光源之间放置一枚凹透镜，在光源、光屏位置不动的情况下撤掉纸板，不断调节凹透镜的位置最终可使发散的光线经晶状体折射后在光屏上成清晰的倒立、缩小实像，如图9所示.

图9

通过以上模拟近视眼眼球成像及矫正实验，再次验证近视眼晶状体成像在视网膜前方，需要通过使光线发散的方式使像恢复到视网膜上.使光线发散的普遍方式是采用本实验中的“佩戴眼镜（凹透镜）”，使光线先经凹透镜发散后再经晶状体成像在视网膜上.生活中也可以采用激光手术的方法，将已形变的晶状体变薄，致使其对光线的折射能力减弱，最终也可使光线重新汇聚在视网膜上.

3 本实验对课堂教学的启示

（1）首先通过进行凸透镜成像实验对凸透镜成像规律有所了解，使学生能够准确判断在不同物距下的成像特点，并可以根据这些规律辨析相关应用的原理，知道眼球成像的本质就是凸透镜成像.

（2）让学生经历模拟近视眼成像及矫正过程实验，使学生更加深刻了解到近视眼是由于晶状体在疲劳等因素作用下发生形变，导致成像在视网膜前方，可以通过外加凹透镜（近视眼镜）的方式使光线发散，使像回落到视网膜上，在应用中增加了思维含量.［4］

（3）通过本次学科融合实验，很大程度上激发了学生的物理学习兴趣，体现了课标中从生活走向物理，从物理走向社会、注意学科渗透，关系科技发展的课程基本理念，也与提高全体学生科学素养的义务教育物理课程目标相一致.