“平面鏡成像特點”的實驗改進(jìn)

劉翠青

(韓山師范學(xué)院物理與電子工程系 廣東 潮州 521041)

“平面鏡成像的特點”實驗是初中光學(xué)重要的實驗之一，對學(xué)生理解和掌握平面鏡成像的特點起著關(guān)鍵作用．人民教育出版社(以下簡稱人教版)、教育科學(xué)出版社(以下簡稱教科版)、上海科學(xué)技術(shù)出版社(以下簡稱滬科版)物理八年級都采用科學(xué)探究引導(dǎo)學(xué)生對“平面鏡成像的特點”進(jìn)行探究，實驗中都用了蠟燭、白紙、玻璃板(玻璃板支架)、刻度尺等器材[1]．但按教材提示進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)存在許多不足，為此不少教師在自身的教學(xué)實踐中對該實驗進(jìn)行了改進(jìn)．改進(jìn)后的實驗，不僅使操作更加簡便易行，而且減少了實驗誤差．現(xiàn)在把該實驗的不足和改進(jìn)做個綜述，供同行參考借鑒．

1 實驗方案存在系統(tǒng)誤差與解決辦法

探究“平面鏡成像的特點”的實驗裝置如圖1所示[1]，用玻璃板代替平面鏡，采用“重合法”來確定虛像的位置，即用一支蠟燭來代表“物”，另一支一模一樣的蠟燭來代表“像”．這種實驗方案本身存在系統(tǒng)誤差．因為實驗過程中，并不是代表“像”的蠟燭與代表“物”的蠟燭的虛像重合，而是代表“像”的蠟燭經(jīng)一定厚度的玻璃板兩次折射后所成的虛像與代表“物”的蠟燭的虛像重合[2,3]．所以實驗數(shù)據(jù)記錄表中物距和像距的數(shù)據(jù)不應(yīng)該相同[4]．

減少系統(tǒng)誤差的方法有[3]：

(1)玻璃板的厚度越薄越好；

(2)盡量選擇折射率小的玻璃板；

(3)眼睛的位置盡量正對像的位置．

圖1 探究平面鏡成像的裝置

除了減少系統(tǒng)誤差，還可以對實驗方案進(jìn)行改進(jìn)，從而消除原實驗方案中的系統(tǒng)誤差．如圖2所示[2]，當(dāng)?shù)V泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B 未被平面鏡遮住的部分組成1 個完整礦泉水瓶， 此時礦泉水瓶B的位置就是礦泉水瓶A的像的位置．此外，該方案只包含光的反射知識，不涉及光的折射知識，降低了教學(xué)難度，學(xué)生容易理解和掌握．另一種方案是用畫三角形來代替蠟燭進(jìn)行實驗[5]．畫三角形，只要沿著平面鏡所在位置把白紙對折就可直觀感受到物與虛像大小相等，物與像到鏡面的距離相等且與鏡面垂直．這樣像與物直接比較距離，從而避免了二次成像，消除了系統(tǒng)誤差．

圖2 礦泉水瓶在鏡中成像的實驗圖

2 “物”與“像”的問題與解決辦法

探究“平面鏡成像的特點”的實驗中是用兩支完全相同的蠟燭來代表“物”和 “像”，如圖1所示．但使用蠟燭卻存在著諸多不足.

(1)蠟燭一般是圓柱體，底座是圓形，物點或像點究竟在哪兒?不易直接準(zhǔn)確地確定[5]．而且初二學(xué)生剛接觸物理不久，實驗?zāi)芰€比較薄弱，導(dǎo)致測量存在較大誤差，而且也會延長實驗的時間；

(2)蠟燭燃燒時會慢慢變短，若實驗時間較長，就會導(dǎo)致物像不能完全重合在一起．同時蠟燭易受風(fēng)影響，忽明忽暗，這樣也會造成物像模糊和很難重合，實驗存在較大的誤差[6]；

(3)蠟燭擺放具有不穩(wěn)定性，容易傾倒，燃燒的蠟燭也不易移動，存在安全隱患[6，7]；

(4)教材中的實驗只驗證像與物等大，而沒涉及到像與物左右相反．

針對以上存在問題，有以下的解決辦法.

(1)解決了安全隱患和燃燒變短問題：用其他實物代替蠟燭

代替蠟燭的實物有：棋子(如2012年新江蘇科學(xué)技術(shù)出版社出版的八年級上冊《3.4平面鏡》)、紅色點光源、電池、彩色紙板[6]、圖釘[7]、手電筒、彩色電燈泡[8]、藥瓶、五子棋[9]等等．這些替代物都有一個共同特點：都是身邊隨手可得的低成本的物品或廢舊物品，既節(jié)約資源，而且實驗更安全．

蠟燭在該實驗中有兩個作用：一是作為“物”和“像”，二是作為光源．替代蠟燭的實物一般是不發(fā)光的物體，而彩色電燈泡、激光點光源則與蠟燭的作用一樣會發(fā)光．可要使電燈泡發(fā)光就必需連接電路，這又使該實驗增加了額外的麻煩．

替代蠟燭的實物按占據(jù)空間位置的大小可分為兩大類：一類與蠟燭一樣有一定的體積，并占據(jù)一定的空間位置，物點和像點一般是實物的幾何中心，如棋子、電池、彩色電燈泡、藥瓶等，這一類與蠟燭一樣存在物點和像點不易直接準(zhǔn)確地確定的問題；另一類則是代表幾何點，如圖釘、紅色點光源和后面提到的畫三角形，這一類便于確定物點和像點，但有的同樣存在安全隱患．如用圖釘便于定位，但一不小心容易劃傷手；使用紅色激光點光源時，注意勿直射人的眼睛．

還有的利用激光燈代替蠟燭，激光燈既可以作為點光源，來驗證像距與物距相等，又可以作為線光源，來驗證像的大小等于物的大小[10]．

(2)解決測量問題和減少測量時間：畫三角形[5]

用畫三角形代替蠟燭進(jìn)行實驗有以下優(yōu)點:

1)三角形的三個頂點的位置較容易、準(zhǔn)確地確定和測量，操作簡便，實驗的難度降低.

2)如前所述，消除了系統(tǒng)誤差，實臉的精確度提高.

3)實臉成本低，節(jié)約能源，沒有污染，清潔衛(wèi)生.

(3)解決擺放易傾倒問題.使用光具座[11]．使用光具座還有一個好處是光具座上有刻度，可直接讀出物距和像距．

(4)解決左右相反問題.用半透明白色薄塑料自制成上下表面為梯形的棱柱規(guī)則體, 用該物體替代“物”．像的替代物用的是橡皮泥．大塊的橡皮泥在學(xué)生的手中切削、修補(bǔ), 直到與像完全重合[12]．用橡皮泥來制作像，學(xué)生費時過多，導(dǎo)致實驗時間增加，這是不足，但同時又是優(yōu)點：可以培養(yǎng)學(xué)生的模型制作能力．

3 玻璃板的問題與解決辦法

實驗一般是在明亮的教室進(jìn)行，白色玻璃板透光性強(qiáng)，虛像不夠清晰．有的用茶色玻璃[7，8]或藍(lán)色玻璃板[13]，蘇科版中也是用茶色玻璃；有的在玻璃板上貼上汽車窗玻璃上用的遮陽膜[5](或反光膜[8,12]，或防爆的太陽膜[6,11])．而有的不用傳統(tǒng)玻璃，而是采用有機(jī)玻璃并在一側(cè)貼膜[4]．

最簡單易行的辦法是用茶色玻璃，而玻璃貼膜不僅麻煩而且需要一定的工具和技術(shù)；而用有機(jī)玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃則更輕便安全．

還有玻璃板的放置問題，要保證玻璃板一定與桌面垂直．一般都會采用玻璃板卡座，也可用光具座．

實驗中對玻璃板的厚度并沒提及．但如前所述可知玻璃板的厚度卻影響實驗的系統(tǒng)誤差．實驗中建議用薄玻璃板可以減少系統(tǒng)誤差，有的還建議用生物實驗室的蓋玻片[5]．

4 刻度尺的問題與解決辦法

用直線把蠟燭和它的像的位置連起來，再用刻度尺測量它們到平面鏡的距離來探究“物像等距”，既麻煩又浪費時間[6]．

(1)用圍棋盤、坐標(biāo)紙或帶有等距方格的紙、板等代替原實驗用的大白紙[6,8，9,12]．

其優(yōu)點是直觀、易操作和節(jié)省時間；缺點是不利于培養(yǎng)學(xué)生的測量技能．

(2)如前所述，畫三角形，不用測量，只要沿著平面鏡所在位置把白紙對折就可直觀感受到物與虛像大小相等，物與像到鏡面的距離相等且與鏡面垂直．

(3)若使用光具座，光具座上有刻度可直接讀出．

綜上所述，要使測量簡單、準(zhǔn)確，而且可培養(yǎng)學(xué)生的測量技能，最好是采用光具座．

5 自制平面鏡成像演示器

按照教材的提示進(jìn)行實驗演示，還有以下明顯的弊端.

(1)只有與物像連線相對的部分同學(xué)能看清像的位置，而在物像連線縱軸線兩旁的大部分同學(xué)無法看清．

(2)由于平面鏡位置不方便轉(zhuǎn)動，學(xué)生無法直觀看到物、像與平面鏡的距離，更無法做到準(zhǔn)確地判斷兩者的關(guān)系[14]．因此把所有實驗器材放在轉(zhuǎn)臺上，可以成360°轉(zhuǎn)動，使得與講臺(儀器)成不同角度的同學(xué)都能觀察到成像特點[14，15]．還有的制作出的平面鏡成像演示教具，可將底板在桌面上轉(zhuǎn)90°，然后豎立起來，這樣把鏡、物、像的平面位置清楚地展示給了學(xué)生[13]．這些比較適合于教師做演示實驗．有的雖不能360°轉(zhuǎn)動，但把所有實驗器材和配件放在一方木盒，設(shè)計合理、使用方便[16，17]．這些比較適合于學(xué)生分組實驗．而有的既可作教師演示，又易改裝成學(xué)生實驗儀[18]．

參考文獻(xiàn)

1 初中物理在線 >> 教案中心 >> 電子課本http://www.czwlzx.com/jazx/List_136.html

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11 李九紅.再議“平面鏡成像”實驗裝置改進(jìn).實驗教學(xué)與儀器，2007(6)：24

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13 趙隴安.平面鏡成像實驗的改進(jìn).甘肅教育，2003(12)：42

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18 王波，趙偉光，馮春紅.平面鏡成像特點演示儀.教學(xué)儀器與實驗.2009，25(11)：46～47