探究平面鏡成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與教學(xué)

摘 要：針對(duì)教材中探究平面鏡成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置中存在的問(wèn)題，提出三個(gè)改進(jìn)方案，首先，利用彩色燈泡代替蠟燭使成像更穩(wěn)定，避免像的不穩(wěn)定性給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響.其次，利用激光筆照射刻度尺，方便直接讀取物距和像距及觀察像與物連線與平面鏡的位置關(guān)系.再次，利用可旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)從不同角度操作與觀察實(shí)驗(yàn).通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)旨在讓初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加高效有序開(kāi)展，確保實(shí)驗(yàn)的成功率，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).

關(guān)鍵詞：平面鏡成像;彩色燈泡;激光;旋轉(zhuǎn)底座;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）08-0028-03

基金項(xiàng)目：江西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020課題“以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)促進(jìn)初中物理深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20PTYB190）.

作者簡(jiǎn)介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 教材實(shí)驗(yàn)存在的缺陷

探究平面鏡成像的特點(diǎn)是八年級(jí)物理（上冊(cè)）人教版教材中的學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)，它既是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn).為了突破該知識(shí)點(diǎn)，教材上安排了如圖1所示的探究實(shí)驗(yàn)裝置.在桌面上鋪一張紙，紙上豎立一塊玻璃板作為平面鏡，把一支點(diǎn)燃的蠟燭放在玻璃板的前面，可以看到它在玻璃板后的像.再拿一支外形相同但不點(diǎn)燃的蠟燭，豎立著在玻璃板后面移動(dòng)，直到看上去它跟前面的蠟燭的像完全重合，這個(gè)位置就是前面那支蠟燭的像的位置.移動(dòng)蠟燭重做實(shí)驗(yàn)，在紙上分別記下兩個(gè)對(duì)應(yīng)的位置，用直線把兩個(gè)對(duì)應(yīng)的位置連接起來(lái)，并用刻度尺分別測(cè)出它們到玻璃板的距離，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在實(shí)驗(yàn)表格中.

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，上述探究實(shí)驗(yàn)在具體的操作時(shí)存在如下一些缺陷：（1）教材中通過(guò)觀察玻璃板后面未點(diǎn)燃的蠟燭與點(diǎn)燃蠟燭在玻璃板中像是否完全重合來(lái)說(shuō)明像與物的大小相等，但由于玻璃板前面的蠟燭會(huì)不斷燒短，而后面的蠟燭不變，勢(shì)必導(dǎo)致像與物無(wú)法完全重合現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)蠟燭燃燒產(chǎn)生的濃煙也會(huì)污染教室環(huán)境;（2）實(shí)驗(yàn)中需要改變蠟燭的位置多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記下多個(gè)像與物的位置，并用直線連接物與對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)，然后用刻度尺分別測(cè)出物距與像距，找出像與物的連線與鏡面的關(guān)系，步驟繁瑣，實(shí)驗(yàn)中若物與像點(diǎn)定位稍有偏差就會(huì)出現(xiàn)物距和像距不等或連線與鏡面不垂直等現(xiàn)象出現(xiàn);（3）利用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能由一個(gè)同學(xué)單獨(dú)完成實(shí)驗(yàn)操作，且只能從一個(gè)方向觀察像與物是否完全重合，導(dǎo)致小組的其他同學(xué)無(wú)法參與實(shí)驗(yàn)，失去了分組實(shí)驗(yàn)意義.

2 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

2.1 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

兩塊20cm×40cm×1.8cm免漆板，一塊20cm×20cm×0.3cm 的茶色玻璃板，兩塊20cm×5cm×1.8cm免漆板，一段直徑D1=7.5cm、長(zhǎng)為10cm的PVC水管，一段直徑D1=8.5cm、長(zhǎng)為10cm的PVC水管接頭，兩把量程為0-20cm的鋼尺，兩個(gè)相同的彩燈，兩個(gè)5cm×5cm×8cm拼接而成的長(zhǎng)方體，四只相同的激光筆（帶聚光頭）.

2.1.2 制作方法

（1）在兩塊20cm×40cm免漆板中央用打孔器分別打一個(gè)直徑為8.5cm和7.5cm、深為5mm的孔，用膠水分別把PVC水管和接頭管固定在兩塊免漆板上，接PVC水管的一塊作底座，另一塊作實(shí)驗(yàn)臺(tái)面.

（2）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面中間（10cm處）用鋸鋸一條深為3mm的縫隙，把玻璃板安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的縫隙中，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的側(cè)面分別用兩塊20cm×5cm×1.8cm免漆板夾住玻璃板，并用釘子在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的底面固定死側(cè)板.

（3）將兩把量程為0-20cm的鋼尺用膠水固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)側(cè)面的免漆板的同一直線上，零刻度線分別緊貼玻璃板.

（4）在距離5cm×5cm×8cm長(zhǎng)方體底部上方1.5cm前后方向上鉆一個(gè)直徑為1.5cm孔，距離底部4.5cm左右方向上鉆一個(gè)直徑為1.5cm孔，前后、左右兩孔要對(duì)稱.

（5）用熱熔膠把兩個(gè)彩燈固定在長(zhǎng)方體的正中央，同理用熱熔膠把激光筆套也分別固定在長(zhǎng)方體前后、左右兩個(gè)孔中，如圖2所示，待熱熔膠干后，將激光筆插入激光筆套中即可使用.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)創(chuàng)新后的探究平面鏡成像的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

2.2 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

用彩色燈泡代替蠟燭，提高成像的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)更環(huán)保.

針對(duì)缺陷（1）：我們用兩個(gè)大小相同顏色不同的彩色燈泡代替兩根等長(zhǎng)的蠟燭，開(kāi)啟燈泡當(dāng)調(diào)節(jié)到物與像完全重合，此時(shí)無(wú)論從玻璃板前后的哪個(gè)方向觀察，始終能看到像與物大小相等，大大提高了成像的穩(wěn)定性.另外彩色燈泡在使用過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生污染物，避免了環(huán)境污染.

用激光筆照射刻度尺，直接讀取物距和像距及觀察像與物的連線與平面鏡的位置關(guān)系.

針對(duì)缺陷（2），我們采用四只激光筆，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上放置彩燈后，開(kāi)啟兩彩燈，以一彩燈為物，另一彩燈為像，調(diào)節(jié)兩彩燈的位置，直至像和物完全重合，由于彩燈是圓形，各個(gè)角度均能重合，但彩燈的底座是方形，底座的像與物未必重合，四只激光筆分別安裝在底座的前后、左右方向上.當(dāng)開(kāi)啟兩個(gè)彩燈座中上方的兩支激光筆對(duì)射時(shí)，對(duì)兩彩燈再次進(jìn)行微調(diào)，使左右兩束激光相互重合，這時(shí)的像和物才算是真正完全重合.接著，再開(kāi)啟兩個(gè)燈座中下方的兩支激光筆，使兩束激光分別照射到玻璃板兩邊側(cè)板的刻度尺上，確定物和像的位置，方便直接讀出物距和像距的大小關(guān)系.由于三束激光和后面的刻度尺組成的是個(gè)矩形，玻璃板與刻度尺也是垂直，所以當(dāng)兩束激光重合時(shí)，根據(jù)幾何原理，光束一定與平面鏡垂直，即像與物的連線與平面鏡垂直，減少了定位、連線、作圖、測(cè)量等繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作.

利用可旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)從不同角度操作與觀察實(shí)驗(yàn).

針對(duì)缺陷（3），我們用一節(jié)PVC水管，用膠水固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面底部中央，另一節(jié)為與該型號(hào)相同的水管接頭，也用膠水固定在實(shí)驗(yàn)底座的中央.實(shí)驗(yàn)時(shí)只需將實(shí)驗(yàn)臺(tái)面下的PVC管套入底座上PVC管的接頭中，就可以使實(shí)驗(yàn)臺(tái)面實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，讓小組中的每一個(gè)同學(xué)都能從不同角度進(jìn)行操作或觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

3 用改進(jìn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將底座放在水平桌面上，實(shí)驗(yàn)臺(tái)面套在底座上，將兩個(gè)開(kāi)啟的彩燈放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上.

（2）將一個(gè)作為“物”的紅燈平行玻璃板一段距離放置，移動(dòng)玻璃板后面的綠燈，使綠燈與紅燈在玻璃板中的像完全重合.

（3）打開(kāi)紅、綠彩燈底座上面的兩支激光筆，再微調(diào)兩燈的位置，直至兩支激光筆發(fā)出的兩束激光完全重合，且綠燈與紅燈在玻璃板中的像也完全重合（如圖4所示）.

（4）打開(kāi)紅綠燈底座下面的兩支激光筆，讀出兩支激光筆分別照在玻璃板前后兩把刻度尺上的示數(shù)，即為物距與像距（如圖5所示）.

（5）將綠燈關(guān)閉（變成白色），發(fā)現(xiàn)紅燈的像并沒(méi)有在白色燈上呈現(xiàn)（如圖6所示）.

（6）將紅燈平行遠(yuǎn)離玻璃板兩次，重復(fù)步驟（2）（3）（4），再次讀出物距與像距兩次（如圖7所示），并把測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象填入表1.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出平面鏡成像的特點(diǎn)：平面鏡所成像的大小與物體的大小相等，像和物體到平面鏡的距離相等，像和物的連線與平面鏡垂直，所成的像為虛像，即平面鏡所成的像與物體關(guān)于平面鏡對(duì)稱.

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，我們本著“無(wú)中生有，有中求優(yōu)，優(yōu)中求簡(jiǎn)、簡(jiǎn)中求本”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新思路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的整合，既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性和可循環(huán)使用，又簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，使眾多的、繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作步驟得以優(yōu)化，確保了學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)的成功率.通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新也為我們的物理教學(xué)節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，從而騰出更多時(shí)間讓學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估與交流，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，讓初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能有序、高效開(kāi)展.通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新，在學(xué)生心中播下一顆創(chuàng)新的種子，為學(xué)生今后創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下了基礎(chǔ)，能大大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新熱情.（此實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)意來(lái)源云南怒江州民族中學(xué)的彭蕊老師，由安福中學(xué)初中部周銘垿、王瓏鑫、王留揚(yáng)、劉加成等同學(xué)制作，在此表示感謝.）

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（收稿日期：2021-01-10）