探究平面鏡成像特點實驗裝置改進與教學

摘 要：針對教材中探究平面鏡成像特點實驗裝置中存在的問題，提出三個改進方案，首先，利用彩色燈泡代替蠟燭使成像更穩定，避免像的不穩定性給實驗帶來的影響.其次，利用激光筆照射刻度尺，方便直接讀取物距和像距及觀察像與物連線與平面鏡的位置關系.再次，利用可旋轉的實驗臺面，實現從不同角度操作與觀察實驗.通過實驗改進旨在讓初中物理實驗教學更加高效有序開展，確保實驗的成功率，促進學生深度學習.

關鍵詞：平面鏡成像;彩色燈泡;激光;旋轉底座;實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）08-0028-03

基金項目：江西省教育科學“十三五”規劃2020課題“以創新實驗促進初中物理深度學習的實踐研究”（項目編號：20PTYB190）.

作者簡介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中學高級教師，研究方向：物理教學和實驗教學.

1 教材實驗存在的缺陷

探究平面鏡成像的特點是八年級物理（上冊）人教版教材中的學生分組探究實驗，它既是本節教學的重點，也是學生學習的難點.為了突破該知識點，教材上安排了如圖1所示的探究實驗裝置.在桌面上鋪一張紙，紙上豎立一塊玻璃板作為平面鏡，把一支點燃的蠟燭放在玻璃板的前面，可以看到它在玻璃板后的像.再拿一支外形相同但不點燃的蠟燭，豎立著在玻璃板后面移動，直到看上去它跟前面的蠟燭的像完全重合，這個位置就是前面那支蠟燭的像的位置.移動蠟燭重做實驗，在紙上分別記下兩個對應的位置，用直線把兩個對應的位置連接起來，并用刻度尺分別測出它們到玻璃板的距離，將實驗數據記錄在實驗表格中.

在教學實踐中發現，上述探究實驗在具體的操作時存在如下一些缺陷：（1）教材中通過觀察玻璃板后面未點燃的蠟燭與點燃蠟燭在玻璃板中像是否完全重合來說明像與物的大小相等，但由于玻璃板前面的蠟燭會不斷燒短，而后面的蠟燭不變，勢必導致像與物無法完全重合現象的出現，同時蠟燭燃燒產生的濃煙也會污染教室環境;（2）實驗中需要改變蠟燭的位置多次重復實驗，記下多個像與物的位置，并用直線連接物與對應的像點，然后用刻度尺分別測出物距與像距，找出像與物的連線與鏡面的關系，步驟繁瑣，實驗中若物與像點定位稍有偏差就會出現物距和像距不等或連線與鏡面不垂直等現象出現;（3）利用圖1的實驗裝置進行學生分組實驗時，只能由一個同學單獨完成實驗操作，且只能從一個方向觀察像與物是否完全重合，導致小組的其他同學無法參與實驗，失去了分組實驗意義.

2 改進創新實驗方案

2.1 改進創新實驗裝置

2.1.1 實驗材料

兩塊20cm×40cm×1.8cm免漆板，一塊20cm×20cm×0.3cm 的茶色玻璃板，兩塊20cm×5cm×1.8cm免漆板，一段直徑D1=7.5cm、長為10cm的PVC水管，一段直徑D1=8.5cm、長為10cm的PVC水管接頭，兩把量程為0-20cm的鋼尺，兩個相同的彩燈，兩個5cm×5cm×8cm拼接而成的長方體，四只相同的激光筆（帶聚光頭）.

2.1.2 制作方法

（1）在兩塊20cm×40cm免漆板中央用打孔器分別打一個直徑為8.5cm和7.5cm、深為5mm的孔，用膠水分別把PVC水管和接頭管固定在兩塊免漆板上，接PVC水管的一塊作底座，另一塊作實驗臺面.

（2）在實驗臺面中間（10cm處）用鋸鋸一條深為3mm的縫隙，把玻璃板安裝在實驗臺面的縫隙中，在實驗臺的側面分別用兩塊20cm×5cm×1.8cm免漆板夾住玻璃板，并用釘子在實驗臺面的底面固定死側板.

（3）將兩把量程為0-20cm的鋼尺用膠水固定在實驗臺側面的免漆板的同一直線上，零刻度線分別緊貼玻璃板.

（4）在距離5cm×5cm×8cm長方體底部上方1.5cm前后方向上鉆一個直徑為1.5cm孔，距離底部4.5cm左右方向上鉆一個直徑為1.5cm孔，前后、左右兩孔要對稱.

（5）用熱熔膠把兩個彩燈固定在長方體的正中央，同理用熱熔膠把激光筆套也分別固定在長方體前后、左右兩個孔中，如圖2所示，待熱熔膠干后，將激光筆插入激光筆套中即可使用.

2.1.3 實驗裝置結構圖

改進創新后的探究平面鏡成像的特點實驗裝置如圖3所示.

2.2 改進創新實驗方案

用彩色燈泡代替蠟燭，提高成像的穩定性，實驗更環保.

針對缺陷（1）：我們用兩個大小相同顏色不同的彩色燈泡代替兩根等長的蠟燭，開啟燈泡當調節到物與像完全重合，此時無論從玻璃板前后的哪個方向觀察，始終能看到像與物大小相等，大大提高了成像的穩定性.另外彩色燈泡在使用過程中也不會產生污染物，避免了環境污染.

用激光筆照射刻度尺，直接讀取物距和像距及觀察像與物的連線與平面鏡的位置關系.

針對缺陷（2），我們采用四只激光筆，在實驗臺面上放置彩燈后，開啟兩彩燈，以一彩燈為物，另一彩燈為像，調節兩彩燈的位置，直至像和物完全重合，由于彩燈是圓形，各個角度均能重合，但彩燈的底座是方形，底座的像與物未必重合，四只激光筆分別安裝在底座的前后、左右方向上.當開啟兩個彩燈座中上方的兩支激光筆對射時，對兩彩燈再次進行微調，使左右兩束激光相互重合，這時的像和物才算是真正完全重合.接著，再開啟兩個燈座中下方的兩支激光筆，使兩束激光分別照射到玻璃板兩邊側板的刻度尺上，確定物和像的位置，方便直接讀出物距和像距的大小關系.由于三束激光和后面的刻度尺組成的是個矩形，玻璃板與刻度尺也是垂直，所以當兩束激光重合時，根據幾何原理，光束一定與平面鏡垂直，即像與物的連線與平面鏡垂直，減少了定位、連線、作圖、測量等繁瑣的實驗操作.

利用可旋轉的實驗臺面，實現從不同角度操作與觀察實驗.

針對缺陷（3），我們用一節PVC水管，用膠水固定在實驗臺面底部中央，另一節為與該型號相同的水管接頭，也用膠水固定在實驗底座的中央.實驗時只需將實驗臺面下的PVC管套入底座上PVC管的接頭中，就可以使實驗臺面實現360°旋轉，讓小組中的每一個同學都能從不同角度進行操作或觀察實驗現象.

3 用改進裝置進行實驗教學

3.1 實驗步驟

（1）將底座放在水平桌面上，實驗臺面套在底座上，將兩個開啟的彩燈放在實驗臺面上.

（2）將一個作為“物”的紅燈平行玻璃板一段距離放置，移動玻璃板后面的綠燈，使綠燈與紅燈在玻璃板中的像完全重合.

（3）打開紅、綠彩燈底座上面的兩支激光筆，再微調兩燈的位置，直至兩支激光筆發出的兩束激光完全重合，且綠燈與紅燈在玻璃板中的像也完全重合（如圖4所示）.

（4）打開紅綠燈底座下面的兩支激光筆，讀出兩支激光筆分別照在玻璃板前后兩把刻度尺上的示數，即為物距與像距（如圖5所示）.

（5）將綠燈關閉（變成白色），發現紅燈的像并沒有在白色燈上呈現（如圖6所示）.

（6）將紅燈平行遠離玻璃板兩次，重復步驟（2）（3）（4），再次讀出物距與像距兩次（如圖7所示），并把測得的實驗數據與觀察的實驗現象填入表1.

3.2 實驗結論

分析上述實驗數據，得出平面鏡成像的特點：平面鏡所成像的大小與物體的大小相等，像和物體到平面鏡的距離相等，像和物的連線與平面鏡垂直，所成的像為虛像，即平面鏡所成的像與物體關于平面鏡對稱.

4 結束語

總之，我們本著“無中生有，有中求優，優中求簡、簡中求本”的實驗改進與創新思路，通過實驗方案的整合，既增強了實驗裝置的實用性和可循環使用，又簡化了實驗步驟，使眾多的、繁瑣的實驗操作步驟得以優化，確保了學生分組探究實驗的成功率.通過實驗改進與創新也為我們的物理教學節省實驗操作時間，從而騰出更多時間讓學生對本實驗進行評估與交流，促進學生深度學習，讓初中物理實驗教學更能有序、高效開展.通過實驗改進與創新，在學生心中播下一顆創新的種子，為學生今后創新能力的培養打下了基礎，能大大激發學生的創新意識和創新熱情.（此實驗裝置創意來源云南怒江州民族中學的彭蕊老師，由安福中學初中部周銘垿、王瓏鑫、王留揚、劉加成等同學制作，在此表示感謝.）

參考文獻：

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（收稿日期：2021-01-10）