創(chuàng)新性“平面鏡成像”實驗儀器的設(shè)計與制作

彭 蕊 尹德都 王昆林

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 云南 楚雄 675000)

平面鏡成像是初中幾何光學(xué)知識中的重要內(nèi)容.借助平面鏡成像的實驗儀器是講好本節(jié)內(nèi)容常用的教學(xué)手段.傳統(tǒng)的教學(xué)儀器多數(shù)是使用兩只等高的蠟燭和一塊玻璃板來完成，該實驗方法雖然簡單可行，但也存在著明顯的不足[1].隨著時代的進(jìn)步，一些新的方法和儀器問世，為傳統(tǒng)平面鏡成像儀器的改革和創(chuàng)新提供了平臺.

本文采用了直流電供電的等大色燈作為物和像，用紅色激光筆準(zhǔn)直定位，結(jié)合色光混合原理，使平面鏡的成像規(guī)律更加直觀明顯地呈現(xiàn)出來.

1 實驗儀器基本原理

平面鏡成像實驗儀器原理圖，如圖1所示.用一塊透明玻璃板作為平面鏡，玻璃板兩端分別放置自帶直流電源的紅、綠兩個小燈，各燈座下面均安裝帶有開關(guān)的紅色激光筆.用一塊平整木板作為底板，在底板的側(cè)面垂直安裝定標(biāo)尺.在底板的底面安裝帶有分離式旋轉(zhuǎn)功能的軸承，通過軸承的旋轉(zhuǎn)可使整個底板在平行平面內(nèi)作360°旋轉(zhuǎn)[2].

上述實驗方案中，紅燈作為成像物，其所在的方位為觀察方，綠燈用來確定紅燈的像位.根據(jù)色光混合原理，紅光與綠光按照不同的比例混合產(chǎn)生黃光[3]，當(dāng)綠燈的位置與紅燈像的位置完全重合時，從觀察方可看到紅燈的像變?yōu)辄S色.紅燈所成像的大小及其位置可由實體綠燈準(zhǔn)確表現(xiàn)出來，其示意圖如圖2和圖3所示.

圖1 平面鏡成像實驗儀器原理圖

圖2 紅燈的像與綠燈部分重合示意圖

圖3 紅燈的像與綠燈完全重合示意圖

上述實驗設(shè)計中，通過激光筆準(zhǔn)直定位，不僅可以便捷地測出物距和像距，還可以直觀地顯示出紅燈和紅燈所成像的位置關(guān)于平面鏡對稱.在平面鏡另一側(cè)設(shè)有綠燈，為尋找像的位置和比較大小提供便利；采用分離式旋轉(zhuǎn)平臺，使不同方位的觀察者始終處在觀察方，能夠多角度多方位地觀察實驗現(xiàn)象.

2 實驗裝置

燈泡安置在燈座上，燈座由電源盒和激光盒組成，激光盒內(nèi)平行裝有紅色激光筆，整個燈座可在底板上自由移動，如圖4所示.

圖4 等大的色燈示意圖

底板的中間固定木質(zhì)插槽，以保證玻璃板能穩(wěn)定插入插槽內(nèi)，并與底板保持垂直.在底板的側(cè)面垂直粘有定標(biāo)尺，用于測量物距和像距.

底板與支柱之間安裝分離式旋轉(zhuǎn)軸承(滾珠軸承)，以保證底板可以自由旋轉(zhuǎn)，又可以與支柱分離，如圖5所示.

圖5 組合轉(zhuǎn)臺示意圖

3 實驗探究

3.1 探究像與物大小相等

將等大的紅、綠色燈置于玻璃板兩側(cè)，從紅燈方能看到紅燈所成的像，在玻璃板后面移動綠燈，使之逐漸接近紅燈的像，直至完全重合，此時從紅燈方看到綠燈完全變?yōu)辄S燈.說明紅燈的像和紅燈大小相等.

3.2 探究像與物到鏡面的距離相等

打開兩激光筆，使激光束垂直投射到定標(biāo)尺上，從定標(biāo)尺上激光點的位置和玻璃板(鏡面)在定標(biāo)尺上的位置，兩個位置讀數(shù)之差即為物距或像距.具體實驗步驟為：實驗開始時，同時打開紅燈和綠燈，并將二者置于玻璃板兩側(cè)近似對稱的位置，從紅燈一側(cè)透過玻璃板向綠燈觀察，同時緩慢移動紅燈和綠燈，當(dāng)看到綠燈變?yōu)辄S色時停止移動，此時紅燈的像與綠燈重合，因此變?yōu)辄S色.然后，打開兩燈的激光筆，使激光束垂直射在定標(biāo)尺上，讀出兩個激光點和玻璃板的位置讀數(shù)，紅燈的激光點位置與玻璃板位置之差即為物距，綠燈的激光點與玻璃板位置之差即為像距，從而得出像距等于物距.

3.3 探究像與物對應(yīng)點的連線與鏡面垂直

將激光盒放置在玻璃板兩側(cè)，使兩激光筆發(fā)出的激光相向而對.當(dāng)綠燈與紅燈的像完全重合變?yōu)辄S燈時，兩激光投射到玻璃板上匯聚于同一點.用手持加濕器在儀器上方噴出適量的水霧，即可看到兩激光筆發(fā)出的激光束重合為一線，并垂直于玻璃板.說明像和物對應(yīng)點之間的連線與鏡面垂直.

4 結(jié)束語

綜上所述及其探究可知，使用激光定位、色光混合原理、可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，對傳統(tǒng)的平面鏡成像實驗進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)，使儀器的功能和效果得到了較大的提升，提高了實驗的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了教學(xué)的趣味性.在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合該儀器進(jìn)行實驗探究，讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，受到科學(xué)方法的教育，同時能獲得充分的感性認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究的能力.