對探究平面鏡成像實驗的改進與評價

摘 要：探究平面鏡成像的特點是光學(xué)的一個重要實驗，是學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑之一，傳統(tǒng)的探究平面鏡成像實驗存在一些不足之處，本文就探究平面鏡成像特點的裝置問題、實驗設(shè)計等易產(chǎn)生誤差的地方進行改進，并對改進實驗進行評價，從而使探究實驗達到最優(yōu)化.

關(guān)鍵詞：平面鏡成像;轉(zhuǎn)盤法;不透明法;標(biāo)記物法

文章編號：1008-4134（2020）12-0040中圖分類號：G633.7文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：田效軍（1968-），男，山東東營人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：初中物理實驗教學(xué)研究.

1 問題提出

初中物理各大版本教材在“探究平面鏡成像”的實驗一文中，幾乎都選用茶色玻璃板代替平面鏡，這樣雖然能夠看見物體的像，也能夠看見茶色玻璃板后面的另一個相同的物體，即便于確定物體像的位置，但是在實驗中，由于玻璃板始終存在一定的厚度，玻璃板前后兩個面都能夠?qū)ξ矬w成像，影響探究平面鏡成像的特點的歸納與總結(jié).這樣的探究實驗產(chǎn)生的誤差可能較大，使學(xué)生對科學(xué)實驗產(chǎn)生質(zhì)疑，為此筆者在書本實驗的基礎(chǔ)上對實驗進行適當(dāng)改進，以減小實驗誤差，并提高實驗效果.

2 教材實驗回顧

2.1 實驗回顧

如圖1所示，通過茶色玻璃板代替平面鏡來觀察成像情況，利用兩個相同的物體（如棋子）以及刻度尺、鉛筆等比較像與物大小關(guān)系、像與物分別到平面鏡距離關(guān)系，并證明平面鏡成像為虛像.具體步驟如下：

（1）將茶色玻璃板豎直放置在一張方格紙上，將棋子A放置在玻璃板前，看像在鏡前還是鏡后.

（2）將另一個相同的棋子B放到鏡后并來回移動，使它與棋子A在平面鏡中所成的像完全重合，此時棋子B的位置就是棋子A像的位置.

（3）比較棋子A的像與棋子B的大小，以及棋子A與棋子B到玻璃板的距離關(guān)系.

（4）將一張白卡片豎直放在棋子B所在的位置，在鏡后直接觀察白卡片上是否有棋子A的像.

（5）改變棋子A的位置，多次實驗，尋找平面鏡成像的特點.

2.2 實驗評價

這樣雖然能夠粗略完成實驗，讓學(xué)生在簡單實驗中識記平面鏡成像的特點，也能讓學(xué)生產(chǎn)生直觀上的認(rèn)知作用，但僅有實物直觀的效果，只能固定式、機械式以及重復(fù)式地操作，不能激發(fā)靈感，更不能引起學(xué)生情感上的共鳴，只能使學(xué)生在實驗方面出現(xiàn)“一聽就懂、一看就會、一做就錯”的問題，使學(xué)生對物理實驗的學(xué)習(xí)動機弱化，以至消失，由于情感對認(rèn)知活動的增力效能，給我們解決當(dāng)前初中學(xué)生物理實驗動手操作能力欠缺和學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足的問題以新的啟示.因此，對本探究實驗存在以下幾點問題：

（1）實驗中往往會選擇兩個相同的物體（如棋子），這不就是間接告訴學(xué)生平面鏡所成的像與物大小相等嗎？違背了科學(xué)探究的基本原則，易使學(xué)生形成“偽探究、編造探究數(shù)據(jù)”的不良實驗習(xí)慣;

（2）實驗中是人眼透過玻璃板觀察棋子B與棋子A的像重合，然而人眼透過玻璃觀察到的是棋子B的虛像與棋子A的虛像重合，這里涉及光的折射與光的反射知識，由于棋子B反射的光可能沒有垂直入射到玻璃板上，導(dǎo)致棋子B與其虛像會發(fā)生“側(cè)移”，因此會產(chǎn)生探究誤差;

（3）由于茶色玻璃板存在一定的厚度，其前后兩個面都能夠?qū)ζ遄覣成像，這樣就會造成棋子A經(jīng)過玻璃板所成的像錯位，不僅不易比較像與物的大小關(guān)系，而且也不好測量像與物到玻璃板之間的距離關(guān)系;

（4）由于棋子本身不是光源，加上在探究實驗時往往是在課堂上，白天光線有點強，棋子A經(jīng)過玻璃板所成的像較淡，極不清楚，不易觀察像及像的位置，然而，有同學(xué)會利用手電筒照射棋子A，使棋子A變亮，這樣棋子A的像，即棋子B就會變亮，這是錯誤的做法，試想一下，你在照射棋子A的同時，光線會漫反射到整個實驗裝置的周圍，玻璃板也會變亮，這樣像可能會變得更不清楚;

（5）有時會將棋子改成蠟燭，用點燃的蠟燭進行探究實驗，這樣燭焰的亮度很清晰，但是蠟燭本身亮度偏暗，成像不夠清晰，有時候會看不清楚;還有點燃蠟燭的燭焰極易受到空氣流動影響而影響實驗過程，且點燃蠟燭不太安全，有時會無意弄倒，燒傷同學(xué)，不符合安全操作規(guī)程.

3 實驗改進及評價

3.1 實驗改進1：“轉(zhuǎn)盤法”探究平面鏡成像的特點

實驗器材：自制帶有棋盤的轉(zhuǎn)盤底座1個、完全相同的“1”字光源2個、茶色透明玻璃板1塊、稍大的方格紙1張、光屏1個等.

設(shè)計意圖：（1）利用自制帶有棋盤的轉(zhuǎn)盤底座來代替水平桌面，只要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤就可以實現(xiàn)多次測量，將多次改變物體（如棋子）位置轉(zhuǎn)化為改變平面鏡位置的方法，實現(xiàn)了多次優(yōu)化探究實驗，優(yōu)化實驗結(jié)果;（2）從平面鏡成像特點的實驗探究中，感受對稱美，體會科學(xué)探究的樂趣，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神，提升核心素養(yǎng);（3）學(xué)生的思維方式逐步由具體形象思維向抽象邏輯思維過渡，通過實驗，加深對抽象概念的理解.

實驗步驟：（1）將稍大的方格紙平鋪在水平桌面上，將轉(zhuǎn)盤底座放置在方格紙上，茶色透明玻璃板豎立在棋盤中軸線上作為平面鏡，中軸線代表平面鏡的位置，如圖2所示，注意在較暗的環(huán)境中進行實驗.

（2）把一個“1”字光源放在玻璃板前面（可放在方格紙“+”位置），可以看到它在玻璃板后面的像.

（3）再拿另一個完全相同的“1”字光源，豎立在玻璃板后面，慢慢移動，直到看到它跟前面那個“1”字光源的像完全重合，此位置就是玻璃板前“1”字光源的像的位置，分別在表格中記錄物體和像距離中軸線的“格數(shù)”，這樣不僅可以得出像與物的大小關(guān)系，而且可以得出像與物到平面鏡的距離關(guān)系，像與物的連線與鏡面垂直關(guān)系.

（4）觀察玻璃板前的“1”字光源與玻璃板后的“1”字光源的左右關(guān)系，即像與物鏡面對稱，且左右相反.

（3）同樣的方法，在鏡子前放置C積木與D積木，確保人單憑一只眼睛看D積木，卻看不到C積木與O積木的像（用記號筆標(biāo)記出C、D位置）;

（4）連接AB、CD并延長，相交點標(biāo)記為O1，此時O1位置即為O積木的像（用記號筆標(biāo)記出O1位置），如圖5所示;

（5）為了比較像與物的大小關(guān)系，從積木中選擇大小與形狀不同的積木放在像的位置，通過多次嘗試并比較，找到與O積木大小與形狀完全相同的積木才能完全重合，這說明像與物大小是完全相同的;

（6）再用刻度尺測量出像O1與物O分別到鏡子的距離，得出像與物體到鏡面的距離相等;

（7）多次改變積木的位置，重復(fù)以上步驟進行實驗，并將測量數(shù)據(jù)記錄并得出結(jié)論.

實驗評價：“標(biāo)記物”法探究平面鏡成像的特點，運用了平面鏡成像的原理：光的反射，通過作圖法找到像的位置，學(xué)生更容易理解平面鏡成的像是如何形成的，將科學(xué)探究與知識學(xué)習(xí)放到了同等地位;同時也明晰了選擇兩個相同物體（如棋子）的原因，避免了科學(xué)探究結(jié)論的偶然性.只是將本實驗方法作為新授課的話，學(xué)生往往不理解為什么要標(biāo)記積木位置？為什么要連接AB、CD并延長，相交點標(biāo)記為O′？對學(xué)生的思維跳躍要求很高，可能不符合學(xué)生的認(rèn)知特點，不能因材施教，進而導(dǎo)致學(xué)生對平面鏡成像產(chǎn)生學(xué)習(xí)障礙.

4 結(jié)束語

美國現(xiàn)代教育家杜威提出了“在做中學(xué)”的教育思想，參與探究實驗，并使探究實驗更優(yōu)化的體驗性學(xué)習(xí)，是一個富有一定挑戰(zhàn)性，也最有吸引力的動手過程.對于“探究平面鏡成像的特點”的實驗改進與評價，只要在教材基礎(chǔ)上突破思維定勢、善于分析、勇于創(chuàng)新，親自參與探究實驗，從問題的本質(zhì)去考慮，相信一定會收到意想不到的效果.

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（收稿日期：2020-03-18）