“平面鏡成像”實驗的改進與創新

沙琦波

摘 要：本文針對現有的平面鏡成像裝置存在的若干問題，通過改進成像物體、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律具有普適性，同時拓寬了學生的思維，該裝置更適合學生在課堂上進行自主科學探究，反復嘗試，值得推廣.

關鍵詞：平面鏡;成像;自制

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

平面鏡成像是日常生活中常見的現象，是光的反射知識的應用.也為后面光的折射凸透鏡成像提供重要的感性認識.與之相對應的平面鏡成像特點的探究是掌握平面鏡成像規律的基石，依據新課改理念，“平面鏡成像”一節的教學最好采用探究式教學法.即要學生通過獨立思考，自主設計，并通過系列情境性的探究活動，促使他們對原有認識上形成的平面鏡成像前概念進行加工、修正與深化，然后進一步從感性認識上升到理性探索研究，逐步建立平面鏡成像的科學性規律.鑒于此筆者對“平面鏡成像”探究實驗進行了如下的改進和創新.

1 教材原有實驗的局限

1.1 虛像位置判斷的缺陷

浙教版平面鏡成像的實驗裝置如圖1所示，華師大版平面鏡成像的實驗裝置如圖2所示，當物體放于平面鏡前時，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，像和物對應點的連線與鏡面垂直，即像與物關于鏡面對稱.但是學生在實驗的過程中也會發現透過玻璃板隱約可以看到前后兩個虛像，這樣使得無法準確確定像的位置，究其原因：主要是玻璃板有厚度造成的.

1.2 課堂上使用時的缺憾

依據新課改理念，采用探究式教學法來操作本實驗時，發現教材中的裝置在課堂教學中還存在以下幾點不足：其一是蠟燭或者棋子為成像物體時，由于物體本身左右對稱，所以實驗中學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，而無法根據學生日常生活中的實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律.

2 自制平面鏡成像實驗儀器

2.1 自制平面鏡成像儀器的原理

運用組合法如圖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行實驗，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整到一定角度并固定即可實現探究物體在各種放置情況下平面鏡成像規律，如何解決技術難題？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構

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面如圖4所示.通過旋轉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 本實驗裝置的創新之處

該裝置的三個平面可旋轉蝶形螺釘自由轉動，這樣既可以探究平面鏡垂直于水平面時成像的規律，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候的成像情況，這樣的裝置應用更加廣泛，同時也拓展了學生的思維，使得探究得到的平面鏡成像規律更具普適性.

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，也沒有蠟燭燃燒時的空氣污染.F型塑料激光雕刻物體底部嵌進了一塊小磁鐵，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象，方便尋找像的位置.

本實驗教學引導學生在已有經驗的基礎上自己動腦筋思考改進實驗，培養學生實驗設計能力和動手創新能力，注重學生科學思維的提升.

3 使用自制平面鏡成像裝置進行科學探究的步驟方法

3.1 聯系實際、應用遷移，創新設計實驗裝置

教學片段如下：

教師：同學們已經在鏡子中看到了自己的像，那么，鏡中的像和物有什么關系呢？

學生甲：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.

學生乙：我覺得當我靠近平面鏡，我鏡中的像看起來變大了，所以我認為像與物不等大.

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

學生：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，我們一起用實驗來證明.（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系呢？同桌討論一下.

學生：把筆拿到像的位置上去比大小.

教師：（按照學生說的操作，發現鏡子前的筆一拿開，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系呢？

學生：拿一支與原來鏡子前物體一樣的筆當作物體與像去比大小.

教師：同學說得很好，這就是等效替代法.我們用一個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.（接著教師按照學生說的操作，發現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這個實驗呢？

學生一時想不出來，教師播放事先準備好的一個實驗，讓學生觀看，從中受到啟發.

教師播放水中蠟燭實驗視頻如圖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？此時視頻中鏡頭拉遠，學生發現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驗，學生自然而然想到了探究平面鏡成像實驗，為了方便比較像和物的大小關系，我們也可以不用平面鏡而用玻璃板.

教師：剛才有的同學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？

學生：為了區分方向，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？

學生：隨意放都會成像，都可以探究像與物的關系.

教師：（按照學生說的操作，發現有時候物體不在水平面上，很難找到像.）我們可以怎么改進呢？

學生：成像的物體所在的平面最好能動.

教師：一般的玻璃板有厚度，我們看一下成像的時候會有重影現象，有什么辦法可以改進呢？

學生：在其一面貼上深色汽車貼膜.

教師：好，我們再來看一下，結果只能看到一個像.

最后，教師按照學生的設計拿出自制教具（如圖4所示）.

設計思想：聯系實際，通過觀察鏡中的像，建立像與物的關系的猜想，充分暴露學生的前概念.為了完成探究實驗，教師不停地啟發，適時追問，借助水中蠟燭實驗來讓學生遷移想到用玻璃板代替平面鏡，同時使學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驗裝置，以及如何避免重影現象.

3.2 小組合作組裝實驗儀器，操作探究平面鏡成像規律

教學片段如下：

教師：現在請同學們四人小組合作，把我們的平面鏡成像實驗儀器安裝好并開始探究.

學生組裝好如圖6所示，將一個F型成像物體放于平面鏡前的方格紙的任一交叉點上，透過平面鏡看到鏡后面的虛像，學生再把另一個大小形狀一樣的F形物體放到虛像的位置進行比較，多次實驗，得到平面鏡垂直于成像物體所在平面時的成像規律.

接著，學生調節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的成像規律.將一個F型成像物體放于平面鏡前的方格紙的任一交叉點上，同樣透過平面鏡看到鏡后面的虛像，學生再把另一個大小形狀一樣的F型物體放到虛像的位置進行比較，多次實驗，得到平面鏡與成像物體所在平面成銳角時的成像規律.

最后，學生調節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的成像規律.放上F型成像物體，以及用另一個完全一樣的F形物體找像時，可以得到如圖8的情況.多次實驗，便可以得到這種情況下的成像規律.

教師：同學們綜合三種情況的探究實驗，你們得到了什么結論.

學生：平面鏡成的是虛像，像與物相對鏡面是對稱的.

設計思想：在學生自主設計實驗后，讓學生自主操作探究、自主發現規律.而且借助改進和創新的自制教具，探究多種情況下的成像情況，拓展了學生的思維，同時使得書中的結論更具普適性.

3.3 由“三維到二維”，從實踐探究到思維探究

教學片段如下：

教師：剛才我們通過自制教具實驗探究得到了平面鏡成像的規律.解決光學問題我們還有一種重要的方法就是畫光路圖法，現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.

設計思想：從實際的利用自制教具探究，從三維空間來認識平面鏡成像，到讓學生自己畫光路圖從二維空間上來認識像，培養學生從實驗到理論分析，動手動腦學科學完成科學探究的全過程.

以上是對平面鏡成像創新實驗應用的部分教學片段.從學生課后反饋的情況以及學生的檢測數據獲知，該實驗在教學各方面基本都優于傳統的平面鏡成像實驗儀器的課堂教學.特別體現在以問題為主導、以探究為主線、以拓展學生思維為主要目標的教學方面表現尤為突出，經過課堂的反復嘗試應用，效果特別理想.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-06-12）