“平面鏡成像”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

沙琦波

摘 要：本文針對現(xiàn)有的平面鏡成像裝置存在的若干問題，通過改進(jìn)成像物體、反射面、物體與平面鏡之間的角度，探究物體在多種情況下的成像情況，使書中的平面鏡成像規(guī)律具有普適性，同時(shí)拓寬了學(xué)生的思維，該裝置更適合學(xué)生在課堂上進(jìn)行自主科學(xué)探究，反復(fù)嘗試，值得推廣.

關(guān)鍵詞：平面鏡;成像;自制

文章編號：1008-4134（2019）22-0013 中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

平面鏡成像是日常生活中常見的現(xiàn)象，是光的反射知識的應(yīng)用.也為后面光的折射凸透鏡成像提供重要的感性認(rèn)識.與之相對應(yīng)的平面鏡成像特點(diǎn)的探究是掌握平面鏡成像規(guī)律的基石，依據(jù)新課改理念，“平面鏡成像”一節(jié)的教學(xué)最好采用探究式教學(xué)法.即要學(xué)生通過獨(dú)立思考，自主設(shè)計(jì)，并通過系列情境性的探究活動(dòng)，促使他們對原有認(rèn)識上形成的平面鏡成像前概念進(jìn)行加工、修正與深化，然后進(jìn)一步從感性認(rèn)識上升到理性探索研究，逐步建立平面鏡成像的科學(xué)性規(guī)律.鑒于此筆者對“平面鏡成像”探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下的改進(jìn)和創(chuàng)新.

1 教材原有實(shí)驗(yàn)的局限

1.1 虛像位置判斷的缺陷

浙教版平面鏡成像的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，華師大版平面鏡成像的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，當(dāng)物體放于平面鏡前時(shí)，透過玻璃板可以觀察到鏡中的像，拿一張白紙放在像的位置無法承接到像，所以此像為虛像，拿一個(gè)與物體相同的物體放在像的位置，可以探究得到像與物的大小相等，像在鏡面的后方，像到鏡面的距離等于物到鏡面的距離，像和物對應(yīng)點(diǎn)的連線與鏡面垂直，即像與物關(guān)于鏡面對稱.但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中也會發(fā)現(xiàn)透過玻璃板隱約可以看到前后兩個(gè)虛像，這樣使得無法準(zhǔn)確確定像的位置，究其原因：主要是玻璃板有厚度造成的.

1.2 課堂上使用時(shí)的缺憾

依據(jù)新課改理念，采用探究式教學(xué)法來操作本實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)教材中的裝置在課堂教學(xué)中還存在以下幾點(diǎn)不足：其一是蠟燭或者棋子為成像物體時(shí)，由于物體本身左右對稱，所以實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不好判斷像和物的左右對稱性;其二是蠟燭燃燒后會變短，再用和原來蠟燭一樣高的蠟燭，用等效替代法就不好判斷像和物的大小關(guān)系;其三是按照書中的裝置方便的是探究平面鏡垂直于水平面的成像情況，而無法根據(jù)學(xué)生日常生活中的實(shí)際探究物體不與鏡面平行或者物體不在鏡子正前方的成像規(guī)律.

2 自制平面鏡成像實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 自制平面鏡成像儀器的原理

運(yùn)用組合法如圖3所示，用大量角器把貼有汽車膜的薄玻璃板和貼有方格紙的塑料板巧妙地加以組合，使之可以調(diào)整和改變平面鏡與承放物體平面之間的夾角.并且用F型塑料激光雕刻物體代替棋子或蠟燭作為探究的成像物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，便于比較像和物相對于平面鏡的對稱性.將平面鏡和承放物體平面之間的夾角調(diào)整到一定角度并固定即可實(shí)現(xiàn)探究物體在各種放置情況下平面鏡成像規(guī)律，如何解決技術(shù)難題？筆者巧妙地將量角器中間鏤空一圈弧形滑槽并加裝蝶形螺釘.

2.2 自制平面鏡成像儀器的主要結(jié)構(gòu)

平面鏡采用薄透明玻璃板一塊，在其一面貼上深色汽車貼膜，自粘方格紙2張，同樣大小的塑料板2塊，將方格紙粘在兩塊玻璃板上，將薄玻璃板固定在2塊塑料板中間，將大量角器用3個(gè)蝶形螺釘通過量角器的弧形滑槽固定在塑料板和薄玻璃板的側(cè)面如圖4所示.通過旋轉(zhuǎn)蝶形螺釘改變承放物體平面與平面鏡的夾角.成像物體采用F型塑料激光雕刻物體.

2.3 本實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新之處

該裝置的三個(gè)平面可旋轉(zhuǎn)蝶形螺釘自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣既可以探究平面鏡垂直于水平面時(shí)成像的規(guī)律，也可以探究物體不在鏡子正前方或者物體的放置平面與平面鏡有一定角度時(shí)候的成像情況，這樣的裝置應(yīng)用更加廣泛，同時(shí)也拓展了學(xué)生的思維，使得探究得到的平面鏡成像規(guī)律更具普適性.

F型塑料激光雕刻物體由于上下左右自身都不一樣，在探究的過程中很好比較像與物在形狀上的對稱性.而且成像清晰，也沒有蠟燭燃燒時(shí)的空氣污染.F型塑料激光雕刻物體底部嵌進(jìn)了一塊小磁鐵，方格紙與塑料板之間又有薄鐵皮，這樣F型成像物體便可以在塑料板面上隨意移動(dòng)和固定，操作簡便.

平面鏡采用薄透明玻璃板貼上深色汽車貼膜，可以有效避免由于玻璃有厚度而造成的重影現(xiàn)象，方便尋找像的位置.

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上自己動(dòng)腦筋思考改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手創(chuàng)新能力，注重學(xué)生科學(xué)思維的提升.

3 使用自制平面鏡成像裝置進(jìn)行科學(xué)探究的步驟方法

3.1 聯(lián)系實(shí)際、應(yīng)用遷移，創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

教學(xué)片段如下：

教師：同學(xué)們已經(jīng)在鏡子中看到了自己的像，那么，鏡中的像和物有什么關(guān)系呢？

學(xué)生甲：鏡子中的像和物體等大，我舉左手，像舉右手，所以我猜想像和物體左右相反.但是像是正立的.

學(xué)生乙：我覺得當(dāng)我靠近平面鏡，我鏡中的像看起來變大了，所以我認(rèn)為像與物不等大.

教師：這些是大家關(guān)于像和物大小以及形狀上對稱性的猜想，到底是否正確呢？我們可以用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.那么像的位置你們覺得有沒有規(guī)律呢？

學(xué)生：它始終在鏡子后方.而且物體靠近平面鏡，像也靠近平面鏡，所以我猜想像到鏡面的距離等于物到平面鏡的距離.像和物的連線與鏡面垂直.

教師：這是大家的猜想，我們一起用實(shí)驗(yàn)來證明.（教師拿出一面大鏡子和一支筆示范）我們怎么比較鏡中的筆和我這支真的筆的大小關(guān)系呢？同桌討論一下.

學(xué)生：把筆拿到像的位置上去比大小.

教師：（按照學(xué)生說的操作，發(fā)現(xiàn)鏡子前的筆一拿開，它的像也不見了.）我們該怎么辦呢？有沒有好方法，既不用拿走鏡子前的筆，又可以判斷像與物體大小關(guān)系呢？

學(xué)生：拿一支與原來鏡子前物體一樣的筆當(dāng)作物體與像去比大小.

教師：同學(xué)說得很好，這就是等效替代法.我們用一個(gè)與鏡子前成像物體一樣的物體代替前方物體去和像比大小.（接著教師按照學(xué)生說的操作，發(fā)現(xiàn)在鏡子前面只看見像，卻看不見移過去的那一支筆）.那么我們可以怎么改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

學(xué)生一時(shí)想不出來，教師播放事先準(zhǔn)備好的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀看，從中受到啟發(fā).

教師播放水中蠟燭實(shí)驗(yàn)視頻如圖5所示.視頻中教師將水倒入玻璃杯并加滿，但是蠟燭的火焰卻沒有熄滅.這是為什么呢？此時(shí)視頻中鏡頭拉遠(yuǎn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來我們看到的透明玻璃板后的景物不是真燃燒著的蠟燭.燃著的蠟燭在玻璃板的前面.通過視頻播放的水中蠟燭實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然而然想到了探究平面鏡成像實(shí)驗(yàn)，為了方便比較像和物的大小關(guān)系，我們也可以不用平面鏡而用玻璃板.

教師：剛才有的同學(xué)猜想像與物是左右相反的，那么對于成像物體我們有沒有要求呢？

學(xué)生：為了區(qū)分方向，我們可以選用上下左右都不對稱的物體.

教師：（教師拿出F型塑料激光雕刻物體）如何放置物體呢？物體一定要與鏡面平行嗎？

學(xué)生：隨意放都會成像，都可以探究像與物的關(guān)系.

教師：（按照學(xué)生說的操作，發(fā)現(xiàn)有時(shí)候物體不在水平面上，很難找到像.）我們可以怎么改進(jìn)呢？

學(xué)生：成像的物體所在的平面最好能動(dòng).

教師：一般的玻璃板有厚度，我們看一下成像的時(shí)候會有重影現(xiàn)象，有什么辦法可以改進(jìn)呢？

學(xué)生：在其一面貼上深色汽車貼膜.

教師：好，我們再來看一下，結(jié)果只能看到一個(gè)像.

最后，教師按照學(xué)生的設(shè)計(jì)拿出自制教具（如圖4所示）.

設(shè)計(jì)思想：聯(lián)系實(shí)際，通過觀察鏡中的像，建立像與物的關(guān)系的猜想，充分暴露學(xué)生的前概念.為了完成探究實(shí)驗(yàn)，教師不停地啟發(fā)，適時(shí)追問，借助水中蠟燭實(shí)驗(yàn)來讓學(xué)生遷移想到用玻璃板代替平面鏡，同時(shí)使學(xué)生明確要探究像與物體的大小，研究在各種放置情況下所成的像需要怎樣的實(shí)驗(yàn)裝置，以及如何避免重影現(xiàn)象.

3.2 小組合作組裝實(shí)驗(yàn)儀器，操作探究平面鏡成像規(guī)律

教學(xué)片段如下：

教師：現(xiàn)在請同學(xué)們四人小組合作，把我們的平面鏡成像實(shí)驗(yàn)儀器安裝好并開始探究.

學(xué)生組裝好如圖6所示，將一個(gè)F型成像物體放于平面鏡前的方格紙的任一交叉點(diǎn)上，透過平面鏡看到鏡后面的虛像，學(xué)生再把另一個(gè)大小形狀一樣的F形物體放到虛像的位置進(jìn)行比較，多次實(shí)驗(yàn)，得到平面鏡垂直于成像物體所在平面時(shí)的成像規(guī)律.

接著，學(xué)生調(diào)節(jié)平面鏡與成像物體所在的平面的夾角使之成銳角如圖7所示，探究物體不與鏡子平行時(shí)的成像規(guī)律.將一個(gè)F型成像物體放于平面鏡前的方格紙的任一交叉點(diǎn)上，同樣透過平面鏡看到鏡后面的虛像，學(xué)生再把另一個(gè)大小形狀一樣的F型物體放到虛像的位置進(jìn)行比較，多次實(shí)驗(yàn)，得到平面鏡與成像物體所在平面成銳角時(shí)的成像規(guī)律.

最后，學(xué)生調(diào)節(jié)平面鏡與成像物體所在的平面的夾角使之成鈍角，探究物體不在鏡子正前方時(shí)的成像規(guī)律.放上F型成像物體，以及用另一個(gè)完全一樣的F形物體找像時(shí)，可以得到如圖8的情況.多次實(shí)驗(yàn)，便可以得到這種情況下的成像規(guī)律.

教師：同學(xué)們綜合三種情況的探究實(shí)驗(yàn)，你們得到了什么結(jié)論.

學(xué)生：平面鏡成的是虛像，像與物相對鏡面是對稱的.

設(shè)計(jì)思想：在學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生自主操作探究、自主發(fā)現(xiàn)規(guī)律.而且借助改進(jìn)和創(chuàng)新的自制教具，探究多種情況下的成像情況，拓展了學(xué)生的思維，同時(shí)使得書中的結(jié)論更具普適性.

3.3 由“三維到二維”，從實(shí)踐探究到思維探究

教學(xué)片段如下：

教師：剛才我們通過自制教具實(shí)驗(yàn)探究得到了平面鏡成像的規(guī)律.解決光學(xué)問題我們還有一種重要的方法就是畫光路圖法，現(xiàn)在請你用作光路圖的方法，在白紙上畫出F型物體所成的像好嗎？

學(xué)生通過光的反射定律作圖，找到了像，從理論上也分析得到了平面鏡所成的像是虛像，像與物等大，像與物的連線與鏡面垂直，像到鏡面的距離等于物到鏡面的距離，即像與物相對鏡面對稱.

設(shè)計(jì)思想：從實(shí)際的利用自制教具探究，從三維空間來認(rèn)識平面鏡成像，到讓學(xué)生自己畫光路圖從二維空間上來認(rèn)識像，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)到理論分析，動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)科學(xué)完成科學(xué)探究的全過程.

以上是對平面鏡成像創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的部分教學(xué)片段.從學(xué)生課后反饋的情況以及學(xué)生的檢測數(shù)據(jù)獲知，該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)各方面基本都優(yōu)于傳統(tǒng)的平面鏡成像實(shí)驗(yàn)儀器的課堂教學(xué).特別體現(xiàn)在以問題為主導(dǎo)、以探究為主線、以拓展學(xué)生思維為主要目標(biāo)的教學(xué)方面表現(xiàn)尤為突出，經(jīng)過課堂的反復(fù)嘗試應(yīng)用，效果特別理想.

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（收稿日期：2019-06-12）