“探究平面鏡成像特點”實驗的思考與改進

朱傳華

(蘇州高新區(qū)第三中學(xué)校,江蘇 蘇州 215163)

1 問題的提出

2011年版《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“科學(xué)探究學(xué)習(xí)方式是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一種重要而有效的途徑”．[1]科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),也是重要的教學(xué)方式,在教學(xué)過程中讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程,可以讓學(xué)生主動獲取知識,領(lǐng)悟科學(xué)方法,發(fā)展科學(xué)探究能力．

《課程標(biāo)準(zhǔn)》附錄1中列出了20個學(xué)生必做的實驗,“探究平面鏡成像時像與物的關(guān)系”實驗就是其中之一．比較現(xiàn)行幾個版本教材可以發(fā)現(xiàn)這個實驗的設(shè)計幾乎相同,如人教版、教科版、滬科版和蘇科版等都是采用玻璃板(或單面鍍膜的茶色玻璃板)代替平面鏡,用兩支相同的蠟燭(蘇科版用棋子)進行實驗．北師大版教材的實驗設(shè)計過程較為開放,教材中沒有給出明確的設(shè)計方案,而是讓學(xué)生自己討論制定計劃、選擇器材進行實驗,在教師用書中給出的指導(dǎo)方案依然與其他版本教材相似．

筆者認(rèn)為這種實驗設(shè)計方案存在預(yù)設(shè)結(jié)論的痕跡,留給學(xué)生探究的空間不足．本實驗要探究的問題是像的位置、大小跟物體的位置、大小有什么關(guān)系?猜想是像的位置在平面鏡后面,像與物體大小相等,然后設(shè)計并進行實驗．實驗中只選擇了兩只大小相同的蠟燭A和B,利用蠟燭B與A的像重合來證明A的像和A大小相等,并由B的位置確定出A的像的位置．但其實學(xué)生的生活經(jīng)驗是物體離平面鏡距離越遠,所成的像越小,實際教學(xué)中就發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生提出的猜想是“像與物體的大小不相等”．探究時因為這個實驗設(shè)計中沒有選擇大小不同的物體,因而無法直接驗證與A大小不同的物體能否與A的像重合,只能通過實驗中A的像始終與B大小相等來間接否定．所以原設(shè)計方案雖然能最終得出結(jié)論,但因為實驗過程中只預(yù)備了兩個大小相同的蠟燭,并沒有為大小不相等的可能性做好探究準(zhǔn)備,讓學(xué)生懷疑這都是教師預(yù)先設(shè)置好的實驗結(jié)論,進行實驗探究不過是在“演戲”,是走過場的“假探究”．為了消除學(xué)生的這種質(zhì)疑,筆者在教學(xué)過程中對實驗設(shè)計做了一點改進,增加了形狀相似、大小不同的物體進行實驗．

2 實驗設(shè)計

2.1 提出問題

平面鏡所成的像的位置、大小跟物體的位置、大小有什么關(guān)系?

2.2 猜想與假設(shè)

(1) 像的位置在平面鏡________(上/前/后);

(2) 像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離________(相等/不相等);

(3) 像和物體大小________(相等/不相等)．

2.3 設(shè)計實驗

借鑒蘇科版教材中引入課題的魔術(shù)“澆不滅的蠟燭”引導(dǎo)學(xué)生思考,如何確定像的位置?我們可以利用玻璃既能成像又能透光看到玻璃后面物體的特點,用玻璃(單面鍍膜玻璃)代替平面鏡完成實驗．

2.4 器材準(zhǔn)備

單面鍍膜的茶色玻璃,固定玻璃板的支架,方格紙,鉛筆,刻度尺,直角三角形彩色紙板兩組(其中每組為形狀相似、大小不同的三角形3個,上面印有“F”形標(biāo)記,兩組三角形中“F”的位置相同,開口方向相反,紙板固定在燕尾夾中,做成簡易支架使三角形紙板可以豎直立在水平桌面上,如圖1)．

2.5 進行實驗

(1) 將方格紙放在水平桌面上,再將玻璃板用支架固定豎直放在方格紙上,先讓學(xué)生自己探究出哪一面是鍍膜的,將鍍膜的一面朝實驗者.[2]

(2) 將三角形紙板A1取出放在玻璃板前,紙板與玻璃板平行方向放置,有字母的一面朝向玻璃板,觀察紙板在玻璃板中的像.

(3) 將紙板B3放在玻璃板的另一側(cè),手拿紙板B3在玻璃板后面移動,嘗試使后面的紙板B3與A1的像重合,在移動過程中眼睛位置不動,會發(fā)現(xiàn)在某一位置時看起來紙板B3與A1的像能夠重合,如圖2(a)圖,但換個角度看就不重合了,如圖2(b)圖,最終發(fā)現(xiàn)無論怎么移動紙板B3,都無法使其與A1的像完全重合.

圖2 小紙板與大紙板的像“假重合”

(4) 保持A1位置不變,換用B2替代上一步的B3進行實驗,現(xiàn)象與上一步相似.

(5) 保持A1位置不變,換用B1進行實驗,發(fā)現(xiàn)移動到某一位置時紙板B1能夠與A1的像完全重合,說明此時紙板B1的位置就是A1在平面鏡中所成像的位置,且紙板B1的大小與A1的像大小相同.

(6) 用鉛筆分別在方格紙上記下紙板A1和 B1上“F”的位置,并畫出兩紙板位置的連線,用刻度尺分別測出兩個紙板到鏡面(鍍膜一側(cè))的距離.

(7) 將一張白色紙板豎直放在原來B1的位置處,不透過玻璃直接觀察白色紙板,發(fā)現(xiàn)上面沒有A1的像,說明平面鏡所成的像是虛像.

(8) 比較紙板A1和B1的大小,發(fā)現(xiàn)大小相等,結(jié)合第(5)步,說明物體A1在平面鏡中所成的像與A1大小相等.

(9) 將紙板A2與玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置處,重復(fù)上面的實驗,確定像的位置,找到能與A2的像完全重合的紙板B2,比較B2與A2的大小,并用鉛筆記錄A2、B2上“F”的位置,畫出像與物體的連線,用刻度尺分別測出兩個紙板到鏡面的距離.

(10) 將紙板A3與玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置處,重復(fù)上述實驗.

(11) 將三角形紙板A3取出放在玻璃板前,紙板與玻璃板垂直方向放置,移動后面的紙板B3,使B3與A3的像完全重合,現(xiàn)象如圖3.

圖3 紙板豎直方向與玻璃板垂直放置

(12) 將三角形紙板A3上的燕尾夾取下,將紙板A3平放在玻璃板前的方格紙上,同樣將紙板B3的燕尾夾取下,平放在玻璃板后面的方格紙上,移動B3,嘗試使B3與A3的像重合,現(xiàn)象如圖4．

圖4 紙板水平方向與玻璃板垂直放置

3 改進后的優(yōu)點

3.1 器材簡單易制

原實驗設(shè)計中用蠟燭做物體,利用了蠟燭點燃后成的像較亮的優(yōu)點,但在實驗中蠟燭會越燒越短,從而出現(xiàn)后面不點燃的蠟燭無法與前面點燃的蠟燭的像重合的現(xiàn)象．本實驗中用自制的直角三角形紙板,大小不變,且紙板和燕尾夾的組合簡單易制．

3.2 便于發(fā)現(xiàn)結(jié)論

本實驗中紙板沒有用等腰

三角形,而用了左右不對稱的直角三角形,且在每一對大小相等的紙板上印有開口方向相反的“F”形標(biāo)記,實驗中可以觀察到兩個紙板看起來重合時“F”看起來也能夠重合,又在原來的實驗設(shè)計基礎(chǔ)上增加了將紙板與玻璃板垂直方向放置的兩次探究過程．通過以上多次探究實驗學(xué)生比較容易發(fā)現(xiàn)平面鏡成像時像與物體是關(guān)于平面鏡對稱的,這樣更便于總結(jié)平面鏡成像的特點,還能為后面用對稱法進行平面鏡成像作圖的教學(xué)打下基礎(chǔ)．

3.3 消除學(xué)生質(zhì)疑

提供多個紙板來探究與物體大小不同的紙板有沒有可能與像重合,而不是只用大小相同紙板來驗證,消除了學(xué)生認(rèn)為教師在預(yù)設(shè)實驗結(jié)論,進行“假探究”的質(zhì)疑．也讓猜想“像與物體大小不相等”的學(xué)生感覺自己的猜想沒有被忽視,在實驗過程中得到了驗證的機會．在實驗教學(xué)過程中,要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)提供的器材經(jīng)小組討論與嘗試后逐步得出實驗設(shè)計的方案,不要由教師直接給出．查閱資料發(fā)現(xiàn)有研究者提出可以用大小不同的鐵球和橡皮泥球,如果現(xiàn)成的鐵球和橡皮泥球都不能和像重合,學(xué)生可以通過切削和修補將橡皮泥現(xiàn)做成大小合適的球作為替代物,更多地體現(xiàn)探究思想．[3]這個方案也很巧妙,只是切削和修補橡皮泥球的過程需要的時間較長,且切削和修補橡皮泥球至與像重合的操作難度較大,不如本設(shè)計方案提供的大小不同的三角形紙板簡單易行．

3.4 自然突破難點

實驗中用與物體大小不同的紙板放在玻璃板后面進行探究時,如眼睛位置不動,能發(fā)現(xiàn)在某一位置處后面的紙板也能與像重合,但換個角度看就不重合了．在后面的實驗中確定了像的位置后,會發(fā)現(xiàn)比物體小的紙板能在像的前面某處看起來與像重合,比物體大的紙板能在像的后面某處看起來與像重合．此時學(xué)生能夠聯(lián)想到平時看遠處的物體會感覺變小的現(xiàn)象,進而理解物體離平面鏡越遠時看起來像就越小,并不是像真的變小了,只是人眼因遠近不同的物體視角不同而產(chǎn)生的錯覺,自然就突破了“物體離平面鏡越遠,所成的像越小”的錯誤前概念．