关于“视力矫正”实验的思考
时间：2020-11-22 10:02:26 来源：达达文档网 本文已影响 人 
沈达伟
摘 要：本文基于视力矫正实验演示不成功的现象，从定性的角度和半定量角度分析实验成功的条件，并给出合适的建议确保实验成功.也可以通过分析的过程解释生活中的相关现象.
关键词：近视眼，远视眼，视力矫正
文章编号：1008-4134（2020）08-0032 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
“视力矫正”实验演示了近视眼和远视眼的成因，并且对其矫正进行了原理分析.实验看似简单，若课前不进行一番试做调节，很有可能在课堂上出现演示不成功的现象，下面笔者从作图分析和操作技巧的角度来得出实验成功的条件.
1 “视力矫正”实验过程
如图1所示，模拟近视眼的人戴上凹透镜（近视眼镜）后能看清远处的物体，即烛焰可以通过透镜成像在视网膜上.移去近视眼镜，发现光屏上无清晰的像，此时将光屏向靠近透镜方向移动，可以在光屏上呈现清晰的像，这个过程说明近视眼看远处的物体成像在视网膜的前方.若光屏不动，将蜡烛靠近透镜，也可以在光屏上呈现清晰的倒立缩小的实像，这个过程说明平时近视眼的人可以靠近物体来让自己看清楚.
上述两个实验过程是否能够成功呢？是否需要一定的条件呢？
2 实验过程的分析
2.1 加了凹透镜仍然可以成像的条件
如图2所示，设凸透镜的焦距为f1，凹透镜的焦距为f2，凸透镜和凹透镜之间的距离为d.若想模拟远处的物体经过这个透镜组合仍然能成像在视网膜上，则这个透镜组合相当于凸透镜，即左侧的平行光入射，在右侧一定可以交于主光轴上一点，即这个透镜组合（相当于凸透镜）的焦点.根据图可知，这幅图等效于凹透镜的左侧焦点处一光源经过凸透镜成实像在右侧，而凸透镜成实像的条件是物距（u）大于一倍焦距（f1），即f2+d> f1，只有满足这个条件，这个透镜组合才相当于凸透镜.
结论：因为两个透镜之间的距离不宜过大（模拟日常戴近视眼镜），所以实验器材的选择上需要凸透镜选择焦距小的，即会聚能力强的，如实验室的焦距为5cm的凸透镜，凹透镜应选择焦距大的，发散能力弱的，这样二者的组合其功能仍然对光有会聚作用.
2.2 透镜组合的等效焦距
如图3所示，此图等效于在凹透镜左侧焦点处有一光源，经过凸透镜成像在右侧一点，而这一点到凸透镜的距离相当于透镜组合的等效焦距（f3），我们可以利用透镜成像公式来求出等效焦距f3，求解过程如下：1u+1v=1f1f2+d+1f3=1f11f3=1f1-1f2+df3=f1（f2+d）f2+d-f1
2.3 如何才能实验拿掉近视眼镜后，移动物体仍然能在光屏上成倒立缩小实像
如图4所示，透镜组合的等效焦距为f3，凸透镜焦距为f1，当去掉凹透镜后，成像在光屏的前方.由于两次都成倒立缩小实像，所以像距都在各自的1倍焦距和2倍焦距之间.但若想2次都能在光屏上成倒立缩小的实像，则f3<2f1必须成立（图4中给出了临界情况，f3=2f1， 在这种临界状态下，去掉凹透镜后，光屏上只能成倒立放大的实像，不满足眼睛成像的实际情况），结合上述2.2透镜组合等效焦距的推导结果有f3=f1（f2+d）f2+d-f1<2f1f2+d>2f1.
结论：凸透镜选焦距小的，凹透镜选焦距大的，增加凹透镜后透镜组合的等效焦距相比原来凸透镜的焦距不要改变太多，不能达到原来的2倍.还有从图4可以看出，物体应该尽可能离透镜远些，这样实验的成功率会高些，同时也满足近视眼看不清远处物体的这一事实.做实验时为了确保成功，比如知道凸透镜焦距为5cm，当前面加凹透镜时，就将光屏固定在离凸透镜5cm～10cm的某处（可以靠近10cm處），再移动物体找像，等去掉凹透镜时，光屏不动，一定可以移动物体在光屏上找到倒立缩小的实像.
2.4 生活中近视眼的人当将眼镜稍微远离眼睛，看到的像变小的解释
生活中我们会见到这样一种现象：当近视眼的人将自己的近视眼镜拿开稍稍离开眼睛，会发现远处的物体所成的像变小了.如图5所示，是远处的物体经过凹透镜成正立缩小的虚像的光路图，远处的物体先经过凹透镜成像，然后光再进入眼睛，从图中可以看出，等效于虚像的位置有一个物体，然后用眼睛直接观察这个“物体”，由于“物体”离眼睛比较近，所以人眼可以看清.当把近视眼镜稍稍离开眼睛时，相当于这个“物体”也远离了眼睛，那么在视网膜上成的像变小就可以理解了.
2.5 远视眼的成因及矫正简单分析
类比前面近视眼成因及矫正过程，远视眼的成因及矫正简略叙述.如图6所示，远视眼加凸透镜后由于焦距变小，所以肯定可以成实像这点和上述近视眼的成像略有不同.但为了模拟去掉远视眼镜后移动物体仍然可以在光屏上找到倒立缩小实像，两次焦距的变化仍然不能太大，所以模拟晶状体的凸透镜焦距应小些，模拟远视眼镜的凸透镜焦距应大些.
3 总结
无论模拟近视眼成因及矫正还是远视眼成因及矫正，若想实验成功，需要注意以下几点：
（1）模拟晶状体的凸透镜选择焦距小的，如实验室的焦距为5cm的凸透镜，
（2）模拟近视眼镜和远视眼镜的透镜选择焦距较大的，
（3）去掉眼镜和增加眼镜两次的焦距（其中一次是等效焦距）不能达到2倍关系，否则在移动物体成像在光屏时会成倒立放大的实像，违背了模拟眼睛的初衷，
（4）为了实验成功，加上眼镜（无论近视还是远视）时，先根据晶状体（即实验中焦距小的凸透镜）的焦距将光屏固定在离透镜1倍焦距和2倍焦距之间，然后放物体使成像在光屏上，这样当去掉眼镜时，一定可以通过移动物体再次在光屏上找到倒立缩小的实像，
（5）通过作图分析了生活中常见的现象：当近视眼的人将眼镜稍稍离开眼睛时，观察到物体的像变小.
物理是一门以观察和实验为基础的学科，而每次的实验需要我们教师提前试做，在做实验的过程中才能发现问题、解决问题，这样才能给学生呈现一个高效的课堂.
参考文献：
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（收稿日期：2020-01-04）
