初中物理平面鏡成像實驗與改進(jìn)

陳 剛

(西安交通大學(xué)蘇州附屬初級中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

“探究平面鏡成像時像與物的關(guān)系”是初中物理的經(jīng)典實驗之一,《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011版)》(以下簡稱《課標(biāo)》)對《平面鏡》的要求為: ① 通過實驗,探究平面鏡成像時像與物的關(guān)系; ② 知道平面鏡成像的特點及應(yīng)用[1]．為了便于教學(xué)與評估,《課標(biāo)》將該實驗列入20個學(xué)生必做分組實驗．由于平面鏡成的是虛像,不能直接呈現(xiàn)在光屏上,給確定像的位置帶來很大的困難,也給教材的編寫和教師的教學(xué)帶來一定的難度．

1 初中物理教材中平面鏡成像實驗分析

1.1 六種版本教材編排“平面鏡成像”部分內(nèi)容比較分析

對現(xiàn)行使用范圍較廣的六種版本的初中物理教材,從教材“編排順序”、探究中使用的“主要實驗器材”和是否有“光路圖”3個方面進(jìn)行比較,如表1．從知識呈現(xiàn)順序看只有蘇科版將“平面鏡”放在“光的反射”之前,其他的5個版本都置于“光的反射”之后,由于平面鏡成像的原理是“光的反射”,或說是“光的反射”的具體應(yīng)用,所以“平面鏡”知識后置符合物理學(xué)知識的邏輯順序,也有利于用反射的光路圖解釋像、物關(guān)系．六套教材基本都采用替代的方法確定像的位置,因此實驗中用既能反射又能透光的平板玻璃代替平面鏡,通過“重合”確定像的位置,實驗操作如圖1．人教版和教科版在實驗探究后作出如圖2所示的物體成像光路圖,蘇科版在后續(xù)學(xué)習(xí)的“光的反射”一節(jié)中也用光路圖解釋了平面鏡成像的原理．

圖1 圖2

教材版本編排順序主要實驗器材光路圖 人教版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺有 教科版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺有 北師大版“光的反射”后自選器材無 滬科版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺無 滬粵版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+直尺無 蘇科版“光的反射”前玻璃板+棋子+方格紙有

1.2 現(xiàn)有裝置的系統(tǒng)誤差分析

1.2.1 教材中的“替代法”引起的誤差研究

圖3

1.2.2 文獻(xiàn)中的“拼接法”引起的誤差研究

圖4

圖6

綜合上述分析,不管是利用平板玻璃的前反射,通過鏡后物體與像重合,還是利用平面鏡的后反射面,通過拼接的方法確定像的位置,都不能避免由于折射引起的系統(tǒng)誤差,所以實驗中測得的 “像距”一定不等于“物距”．因此在沒有較好改進(jìn)方案的前提下,這也許是人教、教科和蘇科版增加圖2所示的“平面鏡成像原理”光路圖的緣由,在實驗的基礎(chǔ)上,再理論證明,便于學(xué)生從本質(zhì)上理解為什么像距等于物距．因此物理規(guī)律的形成除了實驗驗證,還應(yīng)該從理論上進(jìn)行推導(dǎo),如果能夠嘗試?yán)盟鶎W(xué)知識進(jìn)行推導(dǎo),并且得出同樣的結(jié)論,我們的研究過程就更完美了[5]．

2 實驗改進(jìn)

通過上述分析,將拼接法中平面鏡的反射面鍍膜到前表面,即用前反射面成像,再將若干該條形平面鏡間隔一定空間排列,通過中空部分直接觀察鏡后的物體,利用鏡后物與鏡中像直接拼接,此時觀察到的“像”和“物”都沒有發(fā)生折射,可以有效避免由于光的折射引起的系統(tǒng)誤差．表面平整、不易形變、反射率高、便于加工的新材料——鏡面鋼,可以代替平面鏡,改進(jìn)“平面鏡成像”的實驗設(shè)計．

2.1 材料和工具

鏡面鋼(厚度1 mm,不能被磁鐵吸引)、強磁(10 mm×20 mm×100 mm)、鋁合金框、鐵質(zhì)螺帽、萬能膠、方形鐵管(外徑比鋁合金框的內(nèi)徑要小)、兩個等大的物體、發(fā)泡槍、A4紙、燕尾夾

2.2 制作過程

(1) 制作反射面.

① 教師演示的反射面:將1 mm厚的鏡面鋼截取成規(guī)格為10 mm×100 mm長條形5根,用萬能膠將兩個鐵質(zhì)螺帽粘在條形鏡面鋼背面的兩端．如圖7．

② 學(xué)生實驗的反射面:將1 mm厚的鏡面鋼截取成規(guī)格為90 mm×120 mm的方形鏡面鋼,中間等間隔挖空4個10 mm×100 mm長條形,如圖8．

圖7

(2) 制作支架.

圖9

① 教師演示的支架:截取一段長200 mm的矩形鋁合金框,確保截取面與各邊線垂直,截取一段長198 mm的方形鐵管(便于取放強磁),置于鋁合金框內(nèi),用發(fā)泡槍向管與框之間的縫隙內(nèi)填滿泡沫發(fā)泡劑,靜置1小時左右,使鐵管固定在框內(nèi)．將強磁置于鐵管內(nèi),吸于其中的一邊,俯視圖如圖9所示．

② 學(xué)生實驗的支架:每組兩個燕尾夾.

(3) 制作刻度尺:在A4紙上打印若干規(guī)格為8 mm×6 mm的方格,制成方格紙．

2.3 使用方法

(1) 教師演示.

① 將方格紙放在水平桌面上,支架豎直置于方格紙上,讓長條形鏡面鋼吸在支架上,鏡面鋼的反射面緊貼支架表面,使5根鏡面鋼緊密相連,形成一個整體,使最下面的一根與方格紙上的一條線重合,如圖10．鏡前放一物體A,通過鏡面鋼成一清晰的完整的像A′,移動物體A,A′像也隨之移動．如圖11．

圖10

② 將5根鏡面鋼彼此分開約10 mm左右,鏡后成物體A不連續(xù)的像．如圖12．

③ 在鏡后放一外形、大小相同的物體B,透過條形鏡面鋼間的縫隙,可見一不連續(xù)的物體B,如圖13;移動B使之與像A′連成一個完整的整體,此時B點的位置即為A點的像的位置．如圖14．

圖12

圖14

④ 分別數(shù)出像和物到鏡面的距離．

⑤ 移動A,重復(fù)上述過程3次．

(2) 學(xué)生分組實驗.

① 將方格紙放在水平桌面上,將用燕尾夾夾好的鏡面鋼豎直在方格紙上,使鏡面鋼的底邊與方格紙的一條線重合．鏡前放一物體A,鏡后成物體A不連續(xù)的像．如圖15．

② 在鏡后放一外形、大小相同的物體B,透過條形鏡面鋼間的縫隙,可見一不連續(xù)的物體B,如圖16．移動B使之與像A′連成一個完整的整體,此時B點的位置即為A點的像的位置．如圖17．

③ 分別數(shù)出像和物到鏡面的距離．

④ 移動A,重復(fù)上述過程3次．

圖15

圖16

圖17

2.4 教具優(yōu)點

(1) 利用鏡面鋼前反射面成像和挖空鏡面直接觀察鏡后的物體,不管是看到鏡中的像,還是看到鏡后的物體,都沒有發(fā)生折射,從而避免了由于光的折射而引起的系統(tǒng)誤差．

(2) 由于鏡面鋼的反射率較高,所成的像很清晰,在正常實驗條件下,不需額外的光源即可完成．

(3) 教師演示的支架用鋁合金框制成,表面平整,5塊條形鏡面鋼在其表面緊密排列,組成一個平整的大平面鏡,內(nèi)置強磁,通過磁力將粘有鐵質(zhì)螺帽的鏡面鋼吸在支架的豎直表面,由于磁力適當(dāng),教師能夠在實驗中輕松將條形鏡面鋼取下,再彼此分開的吸回到支架的表面,方便教師演示．

(4) 在實驗拼接的過程中,通過觀察鏡后物體和像上多條同一部位的直邊線是否連成一線,若從不同方位觀察都成一線,說明像的位置是正確的,用這種是否成一直線的方法來判斷,便于實驗者較準(zhǔn)確地確定像的位置．如圖18所示,實驗中主要觀察的位置是鏡中像與鏡后物組成的兩條邊的直線．

(5) 該教具的教師演示和學(xué)生分組用的反射面略有不同,教師用的多根等大的長條形鏡面鋼可分可合,在演示過程中鏡面鋼從合到分,預(yù)設(shè)“拼接法”的思維方法,從而解決了如何確定虛像的位置．學(xué)生分組實驗中用一整塊中間挖空的鏡面鋼,在保證能夠準(zhǔn)確實驗的情況下,有利于學(xué)生操作,便于學(xué)生在有限的時間內(nèi),快捷、高效地完成實驗探究．

3 小結(jié)與建議

基于上述分析,筆者建議對于教材中的平面鏡成像實驗進(jìn)行改進(jìn),利用挖空的鏡面鋼代替平板玻璃,盡量減小由于光的折射產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,使實驗更可靠．著名的物理學(xué)家密立根說過:科學(xué)是在用理論和實驗這兩只腳前進(jìn)的．有時是這只腳先邁出一步,有時是另一只腳先邁出一步,但是前進(jìn)要靠兩只腳:先建立理論然后做實驗,或者是先在實驗中得出了新的關(guān)系,然后再邁出理論這只腳并推動實驗前進(jìn),如此不斷交替進(jìn)行．因此有必要像人教版教材一樣,在實驗探究后作出如圖2所示的物體成像光路圖,進(jìn)一步解釋平面鏡成像的原理,讓物理學(xué)用“實驗”和“理論”雙腳前行．