“探究平面鏡成像時像與物的關系”實驗的另一種設計

朱傳華

(蘇州高新區第三中學校，江蘇 蘇州 215163)

“探究平面鏡成像時像與物的關系”實驗是《義務教育物理課程標準(2011年版)》附錄1中列出的20個學生必做的實驗之一,目前教材中比較通行的實驗設計是用單面鍍膜的玻璃代替平面鏡,利用鍍膜玻璃既能成像又能透過玻璃看見后面物體的特點,用等效替代法來確定像的位置,探究平面鏡成像時像與物的關系．

圖1 像距誤差分析

但筆者在實驗中根據實驗記錄分析數據時始終無法得出“像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離相等”的結論.以筆者使用的3 mm厚的鍍膜玻璃為例,在實驗中將鍍膜面朝實驗者自己(這樣能減小操作誤差[1]),像距始終比物距大1-1.5 mm左右．分析誤差產生的原因,主要是因為確定物體A所成像的位置A′的方法為等效替代法,讓鍍膜玻璃后面與A形狀大小相同的B看起來與A′重合,即將B的位置當成A′的位置,但實驗者在A一側看到的B并不是物體B本身,而是B經過玻璃折射后所成的像B′,實驗者以為B與A′重合,其實是B′與A′重合,如圖1,測量的像距BO比實際像距A′O要大.[1]這樣的系統誤差無法避免,自然不能得出“像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離相等”的結論．根據教材知識的安排順序,光的折射在平面鏡成像之后,所以在實驗中無法與學生分析這一系統誤差,只能讓學生在誤差允許的范圍內得出“像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離相等”的結論．

為消除這一系統誤差,筆者借鑒原方案中用等效替代法來確定像的位置的設計思路重新設計了一種實驗方案,所不同的是改為在鏡面板上開孔,透過鏡面板上的孔槽直接看鏡面后的B,使B看起來與物體A經平面鏡所成的像A′重合,這樣解決了B經玻璃折射后成像,看起來的位置B′與實際位置不重合的問題．具體方案如下.

1 實驗器材

(1) 將成像的平面鏡由教材中的鍍膜玻璃換成定制的中間開槽的亞克力鏡面板,具體尺寸如圖2,陰影部分為開槽部分;

圖2 鏡面板設計圖

(2) 其余器材借用實驗室原實驗器材“J2530平面鏡成像實驗器”．

2 實驗過程

(1) 將一張白紙平放在水平桌面上,借助實驗室原實驗器材“J2530平面鏡成像實驗器”中兩個帶卡槽的棋子將中間開槽的亞克力鏡面板豎直放在白紙上,并注意將電鍍層反射面朝實驗者一側.

(2) 在鏡面板前方放一個棋子A,通過開槽的鏡面板,看到棋子部分成像在鏡面板后,如圖3.

圖3

圖4

(3) 在鏡面板后放一個與A相同的棋子B,移動棋子B,使透過開槽部分看到的棋子B與A在鏡面中所成的像重合,此時棋子B的位置就是棋子A所成像的位置,如圖4.

(4) 在白紙上用鉛筆畫出鏡面板反射面的位置和棋子A和B的位置,用刻度尺分別測出A、B到鏡面的距離,其他操作與原實驗設計相同．

3 實驗方案評價

(1) 通過鏡面板上開槽看鏡面后面的棋子B,消除了原實驗方案中透過玻璃看棋子B時因為光的折射現象使測出的像距偏大這一系統誤差．

(2) 亞克力鏡面板有雙面鏡和背膠鏡等幾種,背膠鏡只有一面能夠成像,且電鍍層在背面,因而會如原來用鍍膜玻璃實驗時沒有將鍍膜一面朝實驗者一樣產生誤差．所以經比較后筆者選擇雙面鏡,雙面鏡是一面電鍍兩面都是鏡面,因而其電鍍層就在鏡面板表面,實驗時將電鍍層一側朝實驗者,能減小玻璃厚度帶來的操作誤差．

(3) 實驗中定制的開槽亞克力鏡面板如厚度較薄,在加工過程中可能有些變形,對成像效果產生影響,故筆者在多次實驗嘗試比較后確定3 mm以上厚度可以較好的達到實驗要求．

(4) 通過鏡面板的孔槽看后面的棋子B與棋子A在鏡面中所成的像重合在操作上有一定難度,可能會帶來一定的操作誤差．