創新性“平面鏡成像”實驗儀器的設計與制作

彭 蕊 尹德都 王昆林

(楚雄師范學院物理與電子科學學院 云南 楚雄 675000)

平面鏡成像是初中幾何光學知識中的重要內容.借助平面鏡成像的實驗儀器是講好本節內容常用的教學手段.傳統的教學儀器多數是使用兩只等高的蠟燭和一塊玻璃板來完成，該實驗方法雖然簡單可行，但也存在著明顯的不足[1].隨著時代的進步，一些新的方法和儀器問世，為傳統平面鏡成像儀器的改革和創新提供了平臺.

本文采用了直流電供電的等大色燈作為物和像，用紅色激光筆準直定位，結合色光混合原理，使平面鏡的成像規律更加直觀明顯地呈現出來.

1 實驗儀器基本原理

平面鏡成像實驗儀器原理圖，如圖1所示.用一塊透明玻璃板作為平面鏡，玻璃板兩端分別放置自帶直流電源的紅、綠兩個小燈，各燈座下面均安裝帶有開關的紅色激光筆.用一塊平整木板作為底板，在底板的側面垂直安裝定標尺.在底板的底面安裝帶有分離式旋轉功能的軸承，通過軸承的旋轉可使整個底板在平行平面內作360°旋轉[2].

上述實驗方案中，紅燈作為成像物，其所在的方位為觀察方，綠燈用來確定紅燈的像位.根據色光混合原理，紅光與綠光按照不同的比例混合產生黃光[3]，當綠燈的位置與紅燈像的位置完全重合時，從觀察方可看到紅燈的像變為黃色.紅燈所成像的大小及其位置可由實體綠燈準確表現出來，其示意圖如圖2和圖3所示.

圖1 平面鏡成像實驗儀器原理圖

圖2 紅燈的像與綠燈部分重合示意圖

圖3 紅燈的像與綠燈完全重合示意圖

上述實驗設計中，通過激光筆準直定位，不僅可以便捷地測出物距和像距，還可以直觀地顯示出紅燈和紅燈所成像的位置關于平面鏡對稱.在平面鏡另一側設有綠燈，為尋找像的位置和比較大小提供便利；采用分離式旋轉平臺，使不同方位的觀察者始終處在觀察方，能夠多角度多方位地觀察實驗現象.

2 實驗裝置

燈泡安置在燈座上，燈座由電源盒和激光盒組成，激光盒內平行裝有紅色激光筆，整個燈座可在底板上自由移動，如圖4所示.

圖4 等大的色燈示意圖

底板的中間固定木質插槽，以保證玻璃板能穩定插入插槽內，并與底板保持垂直.在底板的側面垂直粘有定標尺，用于測量物距和像距.

底板與支柱之間安裝分離式旋轉軸承(滾珠軸承)，以保證底板可以自由旋轉，又可以與支柱分離，如圖5所示.

圖5 組合轉臺示意圖

3 實驗探究

3.1 探究像與物大小相等

將等大的紅、綠色燈置于玻璃板兩側，從紅燈方能看到紅燈所成的像，在玻璃板后面移動綠燈，使之逐漸接近紅燈的像，直至完全重合，此時從紅燈方看到綠燈完全變為黃燈.說明紅燈的像和紅燈大小相等.

3.2 探究像與物到鏡面的距離相等

打開兩激光筆，使激光束垂直投射到定標尺上，從定標尺上激光點的位置和玻璃板(鏡面)在定標尺上的位置，兩個位置讀數之差即為物距或像距.具體實驗步驟為：實驗開始時，同時打開紅燈和綠燈，并將二者置于玻璃板兩側近似對稱的位置，從紅燈一側透過玻璃板向綠燈觀察，同時緩慢移動紅燈和綠燈，當看到綠燈變為黃色時停止移動，此時紅燈的像與綠燈重合，因此變為黃色.然后，打開兩燈的激光筆，使激光束垂直射在定標尺上，讀出兩個激光點和玻璃板的位置讀數，紅燈的激光點位置與玻璃板位置之差即為物距，綠燈的激光點與玻璃板位置之差即為像距，從而得出像距等于物距.

3.3 探究像與物對應點的連線與鏡面垂直

將激光盒放置在玻璃板兩側，使兩激光筆發出的激光相向而對.當綠燈與紅燈的像完全重合變為黃燈時，兩激光投射到玻璃板上匯聚于同一點.用手持加濕器在儀器上方噴出適量的水霧，即可看到兩激光筆發出的激光束重合為一線，并垂直于玻璃板.說明像和物對應點之間的連線與鏡面垂直.

4 結束語

綜上所述及其探究可知，使用激光定位、色光混合原理、可自由旋轉的轉臺，對傳統的平面鏡成像實驗進行創新性的改進，使儀器的功能和效果得到了較大的提升，提高了實驗的準確性，增強了教學的趣味性.在課堂教學過程中，結合該儀器進行實驗探究，讓學生體驗科學探究的過程，受到科學方法的教育，同時能獲得充分的感性認識，培養了學生的科學素養和科學探究的能力.