初中物理平面鏡成像實驗與改進

陳 剛

(西安交通大學蘇州附屬初級中學,江蘇 蘇州 215021)

“探究平面鏡成像時像與物的關系”是初中物理的經典實驗之一,《義務教育物理課程標準(2011版)》(以下簡稱《課標》)對《平面鏡》的要求為: ① 通過實驗,探究平面鏡成像時像與物的關系; ② 知道平面鏡成像的特點及應用[1]．為了便于教學與評估,《課標》將該實驗列入20個學生必做分組實驗．由于平面鏡成的是虛像,不能直接呈現在光屏上,給確定像的位置帶來很大的困難,也給教材的編寫和教師的教學帶來一定的難度．

1 初中物理教材中平面鏡成像實驗分析

1.1 六種版本教材編排“平面鏡成像”部分內容比較分析

對現行使用范圍較廣的六種版本的初中物理教材,從教材“編排順序”、探究中使用的“主要實驗器材”和是否有“光路圖”3個方面進行比較,如表1．從知識呈現順序看只有蘇科版將“平面鏡”放在“光的反射”之前,其他的5個版本都置于“光的反射”之后,由于平面鏡成像的原理是“光的反射”,或說是“光的反射”的具體應用,所以“平面鏡”知識后置符合物理學知識的邏輯順序,也有利于用反射的光路圖解釋像、物關系．六套教材基本都采用替代的方法確定像的位置,因此實驗中用既能反射又能透光的平板玻璃代替平面鏡,通過“重合”確定像的位置,實驗操作如圖1．人教版和教科版在實驗探究后作出如圖2所示的物體成像光路圖,蘇科版在后續學習的“光的反射”一節中也用光路圖解釋了平面鏡成像的原理．

圖1 圖2

教材版本編排順序主要實驗器材光路圖 人教版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺有 教科版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺有 北師大版“光的反射”后自選器材無 滬科版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+刻度尺無 滬粵版“光的反射”后玻璃板+蠟燭+直尺無 蘇科版“光的反射”前玻璃板+棋子+方格紙有

1.2 現有裝置的系統誤差分析

1.2.1 教材中的“替代法”引起的誤差研究

圖3

1.2.2 文獻中的“拼接法”引起的誤差研究

圖4

圖6

綜合上述分析,不管是利用平板玻璃的前反射,通過鏡后物體與像重合,還是利用平面鏡的后反射面,通過拼接的方法確定像的位置,都不能避免由于折射引起的系統誤差,所以實驗中測得的 “像距”一定不等于“物距”．因此在沒有較好改進方案的前提下,這也許是人教、教科和蘇科版增加圖2所示的“平面鏡成像原理”光路圖的緣由,在實驗的基礎上,再理論證明,便于學生從本質上理解為什么像距等于物距．因此物理規律的形成除了實驗驗證,還應該從理論上進行推導,如果能夠嘗試利用所學知識進行推導,并且得出同樣的結論,我們的研究過程就更完美了[5]．

2 實驗改進

通過上述分析,將拼接法中平面鏡的反射面鍍膜到前表面,即用前反射面成像,再將若干該條形平面鏡間隔一定空間排列,通過中空部分直接觀察鏡后的物體,利用鏡后物與鏡中像直接拼接,此時觀察到的“像”和“物”都沒有發生折射,可以有效避免由于光的折射引起的系統誤差．表面平整、不易形變、反射率高、便于加工的新材料——鏡面鋼,可以代替平面鏡,改進“平面鏡成像”的實驗設計．

2.1 材料和工具

鏡面鋼(厚度1 mm,不能被磁鐵吸引)、強磁(10 mm×20 mm×100 mm)、鋁合金框、鐵質螺帽、萬能膠、方形鐵管(外徑比鋁合金框的內徑要小)、兩個等大的物體、發泡槍、A4紙、燕尾夾

2.2 制作過程

(1) 制作反射面.

① 教師演示的反射面:將1 mm厚的鏡面鋼截取成規格為10 mm×100 mm長條形5根,用萬能膠將兩個鐵質螺帽粘在條形鏡面鋼背面的兩端．如圖7．

② 學生實驗的反射面:將1 mm厚的鏡面鋼截取成規格為90 mm×120 mm的方形鏡面鋼,中間等間隔挖空4個10 mm×100 mm長條形,如圖8．

圖7

(2) 制作支架.

圖9

① 教師演示的支架:截取一段長200 mm的矩形鋁合金框,確保截取面與各邊線垂直,截取一段長198 mm的方形鐵管(便于取放強磁),置于鋁合金框內,用發泡槍向管與框之間的縫隙內填滿泡沫發泡劑,靜置1小時左右,使鐵管固定在框內．將強磁置于鐵管內,吸于其中的一邊,俯視圖如圖9所示．

② 學生實驗的支架:每組兩個燕尾夾.

(3) 制作刻度尺:在A4紙上打印若干規格為8 mm×6 mm的方格,制成方格紙．

2.3 使用方法

(1) 教師演示.

① 將方格紙放在水平桌面上,支架豎直置于方格紙上,讓長條形鏡面鋼吸在支架上,鏡面鋼的反射面緊貼支架表面,使5根鏡面鋼緊密相連,形成一個整體,使最下面的一根與方格紙上的一條線重合,如圖10．鏡前放一物體A,通過鏡面鋼成一清晰的完整的像A′,移動物體A,A′像也隨之移動．如圖11．

圖10

② 將5根鏡面鋼彼此分開約10 mm左右,鏡后成物體A不連續的像．如圖12．

③ 在鏡后放一外形、大小相同的物體B,透過條形鏡面鋼間的縫隙,可見一不連續的物體B,如圖13;移動B使之與像A′連成一個完整的整體,此時B點的位置即為A點的像的位置．如圖14．

圖12

圖14

④ 分別數出像和物到鏡面的距離．

⑤ 移動A,重復上述過程3次．

(2) 學生分組實驗.

① 將方格紙放在水平桌面上,將用燕尾夾夾好的鏡面鋼豎直在方格紙上,使鏡面鋼的底邊與方格紙的一條線重合．鏡前放一物體A,鏡后成物體A不連續的像．如圖15．

② 在鏡后放一外形、大小相同的物體B,透過條形鏡面鋼間的縫隙,可見一不連續的物體B,如圖16．移動B使之與像A′連成一個完整的整體,此時B點的位置即為A點的像的位置．如圖17．

③ 分別數出像和物到鏡面的距離．

④ 移動A,重復上述過程3次．

圖15

圖16

圖17

2.4 教具優點

(1) 利用鏡面鋼前反射面成像和挖空鏡面直接觀察鏡后的物體,不管是看到鏡中的像,還是看到鏡后的物體,都沒有發生折射,從而避免了由于光的折射而引起的系統誤差．

(2) 由于鏡面鋼的反射率較高,所成的像很清晰,在正常實驗條件下,不需額外的光源即可完成．

(3) 教師演示的支架用鋁合金框制成,表面平整,5塊條形鏡面鋼在其表面緊密排列,組成一個平整的大平面鏡,內置強磁,通過磁力將粘有鐵質螺帽的鏡面鋼吸在支架的豎直表面,由于磁力適當,教師能夠在實驗中輕松將條形鏡面鋼取下,再彼此分開的吸回到支架的表面,方便教師演示．

(4) 在實驗拼接的過程中,通過觀察鏡后物體和像上多條同一部位的直邊線是否連成一線,若從不同方位觀察都成一線,說明像的位置是正確的,用這種是否成一直線的方法來判斷,便于實驗者較準確地確定像的位置．如圖18所示,實驗中主要觀察的位置是鏡中像與鏡后物組成的兩條邊的直線．

(5) 該教具的教師演示和學生分組用的反射面略有不同,教師用的多根等大的長條形鏡面鋼可分可合,在演示過程中鏡面鋼從合到分,預設“拼接法”的思維方法,從而解決了如何確定虛像的位置．學生分組實驗中用一整塊中間挖空的鏡面鋼,在保證能夠準確實驗的情況下,有利于學生操作,便于學生在有限的時間內,快捷、高效地完成實驗探究．

3 小結與建議

基于上述分析,筆者建議對于教材中的平面鏡成像實驗進行改進,利用挖空的鏡面鋼代替平板玻璃,盡量減小由于光的折射產生的系統誤差,使實驗更可靠．著名的物理學家密立根說過:科學是在用理論和實驗這兩只腳前進的．有時是這只腳先邁出一步,有時是另一只腳先邁出一步,但是前進要靠兩只腳:先建立理論然后做實驗,或者是先在實驗中得出了新的關系,然后再邁出理論這只腳并推動實驗前進,如此不斷交替進行．因此有必要像人教版教材一樣,在實驗探究后作出如圖2所示的物體成像光路圖,進一步解釋平面鏡成像的原理,讓物理學用“實驗”和“理論”雙腳前行．