探究平面鏡成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

蔣子民

摘? ?要：在農(nóng)村的學(xué)校，現(xiàn)有的教學(xué)儀器存在很大的局限性，部分儀器使用起來效果不理想，很難達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。這就促使教師在教學(xué)過程中，必須自制儀器去改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。文章對探究平面鏡成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，介紹其在教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自制儀器;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);經(jīng)驗(yàn)交流;促進(jìn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）3-0051-3

在我們使用的滬科版、滬粵版物理教材中，探究平面鏡成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)是初中光學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。但是，我們實(shí)驗(yàn)室只有一塊普通的玻璃板，和兩支相同的蠟燭，蠟燭易變形;實(shí)驗(yàn)中一支點(diǎn)燃，另一支不點(diǎn)燃，點(diǎn)燃的蠟燭燭焰晃動(dòng)、變短，是實(shí)驗(yàn)的不利因素;再者，玻璃板的固定支架不平，使得載物平臺(tái)與成像平臺(tái)不在同一平面，蠟燭橫截面太寬不利于精確確定像的位置;特別是普通玻璃的厚度，會(huì)造成像與物到鏡面的距離測量存在誤差，都是實(shí)驗(yàn)的不利因素;像的虛實(shí)教材中沒有給出明確的定義，學(xué)生感覺比較抽象，不太理解。針對這些情況，筆者對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些改進(jìn)。下面就實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)談?wù)勛约旱奶幚硭悸贰?/p>

1? ? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備材料

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)（需要轉(zhuǎn)移的支架）;

（2）像的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)小屋（內(nèi)含平面鏡成虛像、小孔成像、凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)）、電吹風(fēng)、蠟燭、火機(jī)、圓柱體盛水容器;

（3）平面鏡成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（包含圍棋盤、不同厚度的普通玻璃、手機(jī)屏、不同厚度的鍍膜玻璃、工字釘、游標(biāo)卡尺、圓規(guī)、白色塑料板、規(guī)格相同的木塊等）。

2? ? 實(shí)驗(yàn)儀器的制作與改進(jìn)（如圖1）

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)，用一個(gè)電腦轉(zhuǎn)椅改制而成。

（2）像的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)小屋：做一個(gè)小屋子，在小屋的一條對角線豎直放置一塊玻璃，正前方做一圓形門洞，門洞的左后側(cè)放置蠟燭，小屋后側(cè)放置圓形盛水容器;另一對角線放置一鐵條，鐵條上放置一凸透鏡和光屏，用來模擬投影物體至光屏上;小屋左側(cè)安裝小孔成像實(shí)驗(yàn)裝置。

（3）平面鏡成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：把圍棋盤放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上作為載物平臺(tái)，鍍膜玻璃（或者手機(jī)屏）代替普通玻璃，安置在固定架上（固定架帶有可調(diào)底腳螺母），用一定形狀的物體替代蠟燭來比較像與物的大小，工字釘代替蠟燭給物體定位用于測距離。

3? ? 改進(jìn)后的教具的用途及優(yōu)點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)：可360度旋轉(zhuǎn)，有利于學(xué)生全方位、多角度觀察。

（2）像的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)小屋：以魔術(shù)的方式（演示吹不滅、澆不滅的蠟燭實(shí)驗(yàn)）導(dǎo)入課堂，激發(fā)學(xué)生的好奇心?？汕逦爻尸F(xiàn)平面鏡成像，又可展示小孔成像，也可展示實(shí)物投影（即凸透鏡成像），通過三種成像可以比較像的虛實(shí)。

（3）圍棋盤和固定架的底角螺母：固定架的底角螺母調(diào)整反射面與平臺(tái)垂直，以圍棋盤的方格為參考面，調(diào)節(jié)底角螺母使成像平臺(tái)與載物平臺(tái)在同一水平面上，圍棋盤的方格同時(shí)可以很直觀地觀察像與物到鏡面的距離關(guān)系，以及像與物的連線與鏡面的關(guān)系。

（4）鍍膜玻璃：用鍍膜玻璃面代替普通玻璃，只出現(xiàn)一個(gè)像，能避免雙像干擾，有利于比較像與物的大小關(guān)系。

（5）以圍棋盤為載物平臺(tái)，用不同厚度的普通玻璃、手機(jī)屏、鍍膜玻璃作為反射面，工字釘給物體精確定位，分別測它們所成的像與物的距離，讓驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向研究型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，有助于減少像與物到鏡面的距離的實(shí)驗(yàn)誤差，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

4? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，有效突破難點(diǎn)

4.1? ? 像的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)小屋的使用

判斷像的虛實(shí)：如圖2，悄悄點(diǎn)燃隱藏在像的虛實(shí)實(shí)驗(yàn)小屋里左側(cè)的蠟燭，通過窗口觀察小屋背后有一支點(diǎn)燃的蠟燭，先用電吹風(fēng)吹，觀察是否能吹滅;再放置一圓形盛水容器，使蠟燭坐落在圓形水槽中，向容器加水，觀察能否滅燭，用光屏放在像的位置;轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)臺(tái)觀察光屏上是否能承接到蠟燭;對比觀察小孔成像，與凸透鏡模擬投影所成的像。通過對比，可以幫助學(xué)生區(qū)分像的虛實(shí)，為更好地理解實(shí)像和虛像奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，如果能結(jié)合光路作圖，再解說平面鏡成像原理和小孔成像原理，那么像的虛實(shí)也就不言而喻，學(xué)生對像的虛實(shí)不再感覺抽象了。

4.2? ? 平面鏡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用

如圖3，在轉(zhuǎn)臺(tái)上放置一圍棋盤作為載物平臺(tái)，在固定架上固定一鍍膜玻璃，作為反射面，調(diào)整固定架的底角螺母，使鍍膜玻璃與圍棋盤垂直。

（1）比較像的大小關(guān)系：取兩個(gè)相同的物體，分別放在鍍膜玻璃的前后方，調(diào)整反射面后方物體移至玻璃板正前方物體所成的像的位置，觀察像與物是否重合。改變物體的位置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察比較像與物的大小關(guān)系。

（2）測量像與物到鏡面的距離關(guān)系：

分三步進(jìn)行：①如圖4，把普通玻璃裝在固定架上作為反射面，用工字釘給像與物定位，用游標(biāo)卡尺測像與物到鏡面的距離，同時(shí)測出玻璃的厚度，比較像與物到鏡面的距離關(guān)系。換用不同厚度的普通玻璃重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄如表1。

②用貼膜手機(jī)屏為反射面，用工字釘給像與物定位，用游標(biāo)卡尺測像與物到鏡面的距離，用來比較像與物到鏡面的距離關(guān)系。換用不同厚度的手機(jī)屏重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄如表1。

③用鍍膜玻璃代替普通玻璃為反射面，用工字釘給像與物定位，用游標(biāo)卡尺測像與物到鏡面的距離，用來比較像與物到鏡面的距離關(guān)系。換用不同厚度的鍍膜玻璃重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。記錄如表1。

利用手機(jī)屏和鍍膜玻璃可結(jié)合軸對稱作圖比較像與物的距離關(guān)系，方法如下：

①任意畫一直線，在直線上取一點(diǎn)為圓心畫圓;

②借助圓的對稱性確定反射面的位置，并讓反射面坐落在所畫圓的直經(jīng)上，并調(diào)節(jié)固定架的底角螺母使鏡面與圍棋盤垂直;

③用工字釘給物與像定位，確定像與物的落點(diǎn)位置;

④分別以像與物的落點(diǎn)為圓心，大于像與物到鏡面距離為半徑畫弧，觀察兩弧線的交點(diǎn)的位置，如果交點(diǎn)落在鏡面所在的直線上，則不難證明像與物到鏡面的距離相等;

⑤同時(shí)連接像與物的連線，也可證明線與面的垂直關(guān)系。

如圖5借用數(shù)學(xué)軸對稱作圖法，可避免刻度尺測量帶來的誤差，但這一方法是否可行有待進(jìn)一步推敲。

5? ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思與存在的疑問

問題一：用不同厚度的普通玻璃測像與物到鏡面的距離，可以發(fā)現(xiàn)像與物到鏡面的距離存在差異，差異與玻璃厚度存在一定的聯(lián)系。給人的第一感覺是只要玻璃有一定厚度，都會(huì)存在差異，玻璃厚度越薄，誤差越小。然而，現(xiàn)實(shí)生活中找到絕對薄的反射面材料是不現(xiàn)實(shí)的。因此，像與物到鏡面的距離相等關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看有點(diǎn)像牛頓第一定律一樣，是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推理出來的，這樣表達(dá)合不合理，不敢輕易下結(jié)論。

問題二：貼膜手機(jī)屏做反射面，工字釘定位，測出像與物到鏡面的距離誤差小，但像不夠清晰，不容易確定像的位置，手機(jī)屏貼膜是不是最佳實(shí)驗(yàn)材料，給手機(jī)屏鍍膜后用來實(shí)驗(yàn)是不是比較合理。

問題三：用鍍膜玻璃做反射面，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反射面不在鍍膜層的表面，應(yīng)該在鍍膜層與玻璃的交界面，借助圍棋盤或者圓的對稱性來確定反射面的位置，不知是否正確，缺乏理論依據(jù)。但是用鍍膜玻璃測像與物到鏡面的距離，用軸對稱作圖來證明是比較合理的，可是普通玻璃存在的差異怎么解析是一難題。

問題四：后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分光片作為探究材料是比較理想的，能彌補(bǔ)其他材料的不足，誤差小，但是價(jià)格高。

綜合以上所述，本實(shí)驗(yàn)還有很大的探討空間，值得進(jìn)一步推敲。

參考文獻(xiàn)：

[1]義務(wù)教育教科書華東地區(qū)初中物理教材編寫組.八年級物理上冊（滬粵版）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，廣州：廣東教育出版社，2012.

[2]彭前程.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2013.

（欄目編輯? ? 王柏廬）