平面鏡成像儀的制作及應用

摘" "要：在中學探究平面鏡成像特點的實驗時采用的傳統器材在某些方面有待改進，為此，利用亞克力板取代玻璃板，引入扭矩和磁吸設計實現360度任意停，突破傳統儀器對物像關系探究的局限，使學生對物像關系更加立體化，磁吸小人偶動作可以自行改變，將鏡面對稱與軸對稱區分開，增加了實驗的趣味性，同時解決了蠟燭的不安全性。利用情境教學，發展學生創造性思維，從而增強學生樹立物理來源于生活的觀念。通過創新實驗探究，培養學生物理學科核心素養。

關鍵詞：平面鏡成像；立體；鏡面對稱

引言

利用薄玻璃板，蠟燭探究平面鏡成像特點仍存在一定的缺陷。例如：使用薄玻璃板消除了重影，便于確定像的位置，不足之處在于易碎，只能探究水平方向上的物像關系，不能探究豎直方向的物像關系。雖然能利用坐標紙更方便快捷地探究物與像的等大關系、等距關系[ 1 ]，但等大、等距關系并不足以說明鏡面對稱特點，為此，筆者采用亞克力板設計一款“平面鏡成像儀”并用于學生分組實驗，更全面地探究平面鏡成像特點。

1" 準備材料

2塊木板、1塊亞克力板、2個底部帶磁鐵的小人偶、2對金屬扭矩、2塊鐵皮、2只底部帶磁條的小黃鴨模具、1把角度尺。

2" 外觀及結構說明

2.1" 儀器外觀如圖1所示。

2.2" 儀器結構說明

平面鏡成像儀的結構如圖2所示，具體說明如下：

（1）當兩邊底板平放于桌面時，利用角度尺將平面鏡調整到與底板垂直的位置，此時與傳統的平面鏡成像儀功能一致。

（2）當調整平面鏡與某一邊底板的夾成60度時，我們發現成像的位置，無法在另一塊底板上找到，必須將另一底板與平面鏡的夾角也進行調整，才能使物、像重新重合。

3" 制作說明

3.1" 裝置的截剪

（1）裁剪240 mm × 220 mm × 0.5 mm.鐵皮兩片。

（2）割鋸280 mm × 220 mm × 10 mm.木板兩片。

在木板的窄邊上開個長方形的槽（160 mm × 15 mm）用于安裝扭矩。

（3）裁剪200 mm × 200 mm × 2 mm，亞克力半透鏡一片，同時在左右上角裁一個長方形，形成一個凸起的形狀。

3.2" 制作步驟

（1）用玻璃膠將2塊平整的鐵皮分別固定于2塊木板未開槽的那端。

（2）取一小木條（200 mm × 10 mm × 5 mm）用玻璃膠玻將裁剪過的亞克力半透鏡凸起的邊對準木條的中央固定住，同時在木條的雙邊各鉆2個3 mm的圓孔，用于安裝扭矩。

（3）將大號0.5 N·M一對阻尼鉸鏈扭矩把矩安裝于兩片木板之間，將一對同邊0.15N·M扭矩安裝于木條與木板之間。

（4）用玻璃膠將圓形強力磁鐵（直徑8 mm厚3 mm） 貼于積木人偶底部。

3.3" 注意事項

（1）在使用玻璃膠過程中應保持木板與鐵皮的平整性，木條與亞克力板的平整性，否則對最終的物、像研究有影響。

（2）安裝扭矩時要注意型號等，最終的模具要實現360度任意停。

4" 儀器結構備選方案分析[ 2 ]

備選方案1

在選用鐵皮時，直接用3D鉆孔的厚鐵片，無需木板作為底板。優點為：制作簡單，成本低。不足之處：器材笨重，在搬運過程中扭矩的螺母容易松動。

備選方案2

在選用鐵皮時直接用3D鉆孔的鐵皮，無需木板作為底板，但扭矩的螺母有一定厚度，因此用一塊中間帶凹槽的木板放置于桌面上，用于探究將物體與平面鏡垂直放置時的物像關系。優點：制作簡單，探究立體關系時輕便。不足之處：器材分離，在準備學生實驗時麻煩。

5" 改進優勢及應用

5.1" 改進優勢

（1）創新并改進課堂實驗，可開展\"實際\"探究實驗。借助小黃鴨模具顯示\"門前大橋下游過一群鴨\" 的模擬情境（如圖3），利用情境教學，發展學生創造性思維，從而增強學生樹立物理來源于生活的觀念。

（2）亞克力半透鏡取代傳統玻璃制半透鏡。

（3）阻尼鉸鏈扭矩實現360度任意停，突破傳統儀器對物像關系探究的局限，使學生對物像關系更加立體化。

（4）磁吸小人偶動作可以自行改變，將鏡面對稱與軸對稱區分開，增加了實驗的趣味性同時解決了蠟燭的不安全性。

（5）坐標紙與角度尺的引入使實驗探究數據更加直觀準確。

5.2" 教學應用

（1）結合激光筆、補水儀觀察入射光線在半透鏡處發生反射的兩條光路，突破平面鏡所成的像是虛像的難點。

（2）利用“平面鏡成像儀”分組探究平面成像規律，其實驗步驟如下：

[傳統平面探究]

①將底板展開放置于桌面上，借助角度尺，將亞克力半透鏡垂直于底板。

②將坐標紙穿過中間的凹槽平鋪于兩邊底板上。

③將磁吸人偶放置于一邊的坐標紙上，并標記位置，調整一個姿勢（右手舉起）用另一個磁吸人偶在半透鏡的另一側去找到與像重合的點位并標記位置，同時調整人偶姿勢。

④改變人偶的位置，多次實驗并記錄。

[立體探究]

①借助角度尺，調整亞克力半透鏡與底板的夾角至60度。

②翻轉另一邊的底板，致使物像重新重合。

③用角度尺測出亞克力半透鏡與另一邊底板的夾角。

④改變夾角多次實驗并記錄數據。

⑤結合實驗現象并根據實驗數據，總結出平面鏡成像特點。

綜上所述，結合“平面鏡成像儀”設計本實驗方案，可以讓學生經歷從觀察生活情境到對物理問題的思考，進而經歷平面鏡成像科學探究過程，了解平面鏡成像特點，突破鏡面對稱的難點。

學生經歷了從傳統平面探究到立體探究，這一過程不僅訓練了學生建立模型的能力，同時提升了學生的科學素養。

參考文獻：

［1］ 黃葛鴻.“手持式光路顯示議”的制作及應用[J].實驗教學與儀器，2019（5）：51-53.

［2］ 周伯文.“平面鏡成像”實驗探究性教學[J].黑龍江科學，2017（2）：36-37.