“探究平面鏡成像特點”實驗的思考與改進

朱傳華

(蘇州高新區第三中學校,江蘇 蘇州 215163)

1 問題的提出

2011年版《義務教育物理課程標準》指出“科學探究學習方式是提高學生科學素養的一種重要而有效的途徑”．[1]科學探究既是學生的學習目標,也是重要的教學方式,在教學過程中讓學生經歷科學探究的過程,可以讓學生主動獲取知識,領悟科學方法,發展科學探究能力．

《課程標準》附錄1中列出了20個學生必做的實驗,“探究平面鏡成像時像與物的關系”實驗就是其中之一．比較現行幾個版本教材可以發現這個實驗的設計幾乎相同,如人教版、教科版、滬科版和蘇科版等都是采用玻璃板(或單面鍍膜的茶色玻璃板)代替平面鏡,用兩支相同的蠟燭(蘇科版用棋子)進行實驗．北師大版教材的實驗設計過程較為開放,教材中沒有給出明確的設計方案,而是讓學生自己討論制定計劃、選擇器材進行實驗,在教師用書中給出的指導方案依然與其他版本教材相似．

筆者認為這種實驗設計方案存在預設結論的痕跡,留給學生探究的空間不足．本實驗要探究的問題是像的位置、大小跟物體的位置、大小有什么關系?猜想是像的位置在平面鏡后面,像與物體大小相等,然后設計并進行實驗．實驗中只選擇了兩只大小相同的蠟燭A和B,利用蠟燭B與A的像重合來證明A的像和A大小相等,并由B的位置確定出A的像的位置．但其實學生的生活經驗是物體離平面鏡距離越遠,所成的像越小,實際教學中就發現很多學生提出的猜想是“像與物體的大小不相等”．探究時因為這個實驗設計中沒有選擇大小不同的物體,因而無法直接驗證與A大小不同的物體能否與A的像重合,只能通過實驗中A的像始終與B大小相等來間接否定．所以原設計方案雖然能最終得出結論,但因為實驗過程中只預備了兩個大小相同的蠟燭,并沒有為大小不相等的可能性做好探究準備,讓學生懷疑這都是教師預先設置好的實驗結論,進行實驗探究不過是在“演戲”,是走過場的“假探究”．為了消除學生的這種質疑,筆者在教學過程中對實驗設計做了一點改進,增加了形狀相似、大小不同的物體進行實驗．

2 實驗設計

2.1 提出問題

平面鏡所成的像的位置、大小跟物體的位置、大小有什么關系?

2.2 猜想與假設

(1) 像的位置在平面鏡________(上/前/后);

(2) 像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離________(相等/不相等);

(3) 像和物體大小________(相等/不相等)．

2.3 設計實驗

借鑒蘇科版教材中引入課題的魔術“澆不滅的蠟燭”引導學生思考,如何確定像的位置?我們可以利用玻璃既能成像又能透光看到玻璃后面物體的特點,用玻璃(單面鍍膜玻璃)代替平面鏡完成實驗．

2.4 器材準備

單面鍍膜的茶色玻璃,固定玻璃板的支架,方格紙,鉛筆,刻度尺,直角三角形彩色紙板兩組(其中每組為形狀相似、大小不同的三角形3個,上面印有“F”形標記,兩組三角形中“F”的位置相同,開口方向相反,紙板固定在燕尾夾中,做成簡易支架使三角形紙板可以豎直立在水平桌面上,如圖1)．

2.5 進行實驗

(1) 將方格紙放在水平桌面上,再將玻璃板用支架固定豎直放在方格紙上,先讓學生自己探究出哪一面是鍍膜的,將鍍膜的一面朝實驗者.[2]

(2) 將三角形紙板A1取出放在玻璃板前,紙板與玻璃板平行方向放置,有字母的一面朝向玻璃板,觀察紙板在玻璃板中的像.

(3) 將紙板B3放在玻璃板的另一側,手拿紙板B3在玻璃板后面移動,嘗試使后面的紙板B3與A1的像重合,在移動過程中眼睛位置不動,會發現在某一位置時看起來紙板B3與A1的像能夠重合,如圖2(a)圖,但換個角度看就不重合了,如圖2(b)圖,最終發現無論怎么移動紙板B3,都無法使其與A1的像完全重合.

圖2 小紙板與大紙板的像“假重合”

(4) 保持A1位置不變,換用B2替代上一步的B3進行實驗,現象與上一步相似.

(5) 保持A1位置不變,換用B1進行實驗,發現移動到某一位置時紙板B1能夠與A1的像完全重合,說明此時紙板B1的位置就是A1在平面鏡中所成像的位置,且紙板B1的大小與A1的像大小相同.

(6) 用鉛筆分別在方格紙上記下紙板A1和 B1上“F”的位置,并畫出兩紙板位置的連線,用刻度尺分別測出兩個紙板到鏡面(鍍膜一側)的距離.

(7) 將一張白色紙板豎直放在原來B1的位置處,不透過玻璃直接觀察白色紙板,發現上面沒有A1的像,說明平面鏡所成的像是虛像.

(8) 比較紙板A1和B1的大小,發現大小相等,結合第(5)步,說明物體A1在平面鏡中所成的像與A1大小相等.

(9) 將紙板A2與玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置處,重復上面的實驗,確定像的位置,找到能與A2的像完全重合的紙板B2,比較B2與A2的大小,并用鉛筆記錄A2、B2上“F”的位置,畫出像與物體的連線,用刻度尺分別測出兩個紙板到鏡面的距離.

(10) 將紙板A3與玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置處,重復上述實驗.

(11) 將三角形紙板A3取出放在玻璃板前,紙板與玻璃板垂直方向放置,移動后面的紙板B3,使B3與A3的像完全重合,現象如圖3.

圖3 紙板豎直方向與玻璃板垂直放置

(12) 將三角形紙板A3上的燕尾夾取下,將紙板A3平放在玻璃板前的方格紙上,同樣將紙板B3的燕尾夾取下,平放在玻璃板后面的方格紙上,移動B3,嘗試使B3與A3的像重合,現象如圖4．

圖4 紙板水平方向與玻璃板垂直放置

3 改進后的優點

3.1 器材簡單易制

原實驗設計中用蠟燭做物體,利用了蠟燭點燃后成的像較亮的優點,但在實驗中蠟燭會越燒越短,從而出現后面不點燃的蠟燭無法與前面點燃的蠟燭的像重合的現象．本實驗中用自制的直角三角形紙板,大小不變,且紙板和燕尾夾的組合簡單易制．

3.2 便于發現結論

本實驗中紙板沒有用等腰

三角形,而用了左右不對稱的直角三角形,且在每一對大小相等的紙板上印有開口方向相反的“F”形標記,實驗中可以觀察到兩個紙板看起來重合時“F”看起來也能夠重合,又在原來的實驗設計基礎上增加了將紙板與玻璃板垂直方向放置的兩次探究過程．通過以上多次探究實驗學生比較容易發現平面鏡成像時像與物體是關于平面鏡對稱的,這樣更便于總結平面鏡成像的特點,還能為后面用對稱法進行平面鏡成像作圖的教學打下基礎．

3.3 消除學生質疑

提供多個紙板來探究與物體大小不同的紙板有沒有可能與像重合,而不是只用大小相同紙板來驗證,消除了學生認為教師在預設實驗結論,進行“假探究”的質疑．也讓猜想“像與物體大小不相等”的學生感覺自己的猜想沒有被忽視,在實驗過程中得到了驗證的機會．在實驗教學過程中,要引導學生根據提供的器材經小組討論與嘗試后逐步得出實驗設計的方案,不要由教師直接給出．查閱資料發現有研究者提出可以用大小不同的鐵球和橡皮泥球,如果現成的鐵球和橡皮泥球都不能和像重合,學生可以通過切削和修補將橡皮泥現做成大小合適的球作為替代物,更多地體現探究思想．[3]這個方案也很巧妙,只是切削和修補橡皮泥球的過程需要的時間較長,且切削和修補橡皮泥球至與像重合的操作難度較大,不如本設計方案提供的大小不同的三角形紙板簡單易行．

3.4 自然突破難點

實驗中用與物體大小不同的紙板放在玻璃板后面進行探究時,如眼睛位置不動,能發現在某一位置處后面的紙板也能與像重合,但換個角度看就不重合了．在后面的實驗中確定了像的位置后,會發現比物體小的紙板能在像的前面某處看起來與像重合,比物體大的紙板能在像的后面某處看起來與像重合．此時學生能夠聯想到平時看遠處的物體會感覺變小的現象,進而理解物體離平面鏡越遠時看起來像就越小,并不是像真的變小了,只是人眼因遠近不同的物體視角不同而產生的錯覺,自然就突破了“物體離平面鏡越遠,所成的像越小”的錯誤前概念．