探究平面鏡成像的特點

黃繼奎

探究平面鏡成像的特點實驗是新課標要求的21個學生必做實驗中的重點實驗，為提升同學們的科學探究素養及“知行合一、學以致用”的能力，下面通過四個維度加以突破。

[實驗要點]

1.實驗原理：光的反射定律。（裝置如圖1所示）

2.主要器材及作用：（1）玻璃板不但能反射成像，而且透光，便于確定像的位置（平面鏡不能透光，無法確定像的位置）；（2）兩支完全相同的蠟燭可以比較物與像的大小關系；（3）刻度尺可以測量物距和像距；（4）光屏可以判定像的虛實，若光屏能承接到像，則為實像，反之為虛像。

3.實驗方法：等效替代法（用兩根完全相同的蠟燭，其中一支蠟燭等效為另一支蠟燭的像）。

4.器材組裝：白紙對折后展開，平鋪在水平桌面上，將玻璃板豎直放置在白紙中間的折線上。點燃玻璃板前的蠟燭A，玻璃板后的蠟燭B不點燃。

5.實驗操作的關鍵：（1）判斷像的大小和位置的方法：移動玻璃板后的蠟燭B，使其與蠟燭A的像完全重合，蠟燭B的位置和大小就是蠟燭A的像的位置和大小。（2）收集數據的方法：在白紙上標記蠟燭A和蠟燭B的位置，用刻度尺測量兩支蠟燭與玻璃板的距離，并比較兩組數值是否相等，連接兩支蠟燭的位置，判斷連線與玻璃板是否垂直。（3）多次實驗的目的：使實驗結論具有普遍性。（4）數據表的設計：記錄物距、像距、物像大小關系及多次實驗的數據。

6.實驗注意事項：（1）本實驗應該在較暗的環境中進行，目的是使實驗現象更明顯；（2）玻璃板要與水平桌面垂直放置，目的是確保物和像重合，否則玻璃板后的蠟燭無法與像完全重合；（3）點燃玻璃板前蠟燭，目的是使成像更清晰，玻璃板后蠟燭不點燃，替代鏡前蠟燭的像，這用到了等效替代法。

7.實驗結論：平面鏡成的是虛像，像與物關于平面鏡對稱。

[實驗拓展]

1.選擇薄玻璃板的原因：由于玻璃板的前后表面均能反射成像，為了減小兩個像之間的干擾，玻璃板要盡量薄一些。

2.選擇方格紙代替白紙的優點：可以更加直接地確定像和物的位置關系。

3.在光具座上做實驗的好處：確保實驗裝置都在同一水平直線上，使實驗更易操作。

4.觀察像時，會發現兩個幾乎重疊的像：這是玻璃板的兩個反射面分別成像造成的。

5.若玻璃板向點燃的蠟燭方向傾斜，則蠟燭的像在未點燃蠟燭的上方；若玻璃板向未點燃的蠟燭方向傾斜，則蠟燭的像在未點燃蠟燭的下方。

6.測得蠟燭和像到玻璃板的距離不相等的可能原因：玻璃板較厚；玻璃板與水平桌面不垂直；未點燃的蠟燭與點燃蠟燭的像沒有完全重合；測量長度時存在誤差。

7.對虛像的理解與觀察視角：人眼逆著反射光線看到的鏡后的像，是反射光線反向延長線的交點，沒有實際光線的會聚，是虛像，光屏不能承接。平面鏡成像是光的反射現象，在鏡前反射光線所在的區域可以觀察到物體的像，在鏡后無法觀察到物體的像，因為鏡后沒有反射光線進入人眼。

[能力提升]

例1 （2023·湖南）如圖2甲所示是“探究平面鏡成像特點”實驗的裝置，把一支點燃的蠟燭A放在玻璃板的前面，再拿另一支外形相同的蠟燭B豎立著在玻璃板后面移動，直到蠟燭B看上去跟蠟燭A的像完全重合，在白紙上標記A和B的位置。移動蠟燭A，重復多次以上實驗。

（1）選用玻璃板代替平面鏡，主要是為了_______ 。

（2）實驗中兩支蠟燭要完全一樣，目的是為了_______ 。

（3）當蠟燭A遠離玻璃板時，它的像的大小將_______（選填“變大”“變小”或“不變”）。

（4）將蠟燭A豎直放在水平桌面上，點燃蠟燭觀察發現：玻璃板中蠟燭A的像偏低且傾斜。你認為在圖2乙所示的①、②、③三幅圖中，_______ 圖是產生以上實驗現象的原因。

解析：（1）玻璃板既能透光也可成像，容易確定像的位置，而平面鏡不透光，無法確定像的位置，所以選用玻璃板代替平面鏡。

（2）選取兩支外形相同的蠟燭進行實驗，目的是比較像與物的大小關系。

（3）物體與像始終大小相等，當蠟燭A遠離玻璃板時，它的像仍與A相等，像的大小不變。

（4）實驗時平面鏡必須豎直放置，如果不豎直，不論怎樣移動后面的蠟燭，它都不可能與前面蠟燭的像完全重合。圖2乙中，圖①平面鏡豎直放置，不會出現像偏低的情況，圖②和圖③平面鏡沒有豎直放置，分別作出蠟燭A關于平面鏡的對稱點A'，如圖3、圖4所示，發現圖4中蠟燭A的像偏低且傾斜，故③符合題意。

答案：（1）確定像的位置 （2）比較像與物的大小關系 （3）不變 （4）③

[綜合實踐]

例2 （2022·山東·濟寧）在校園科技節活動中，小明觀看了隔著玻璃吹蠟燭的魔術。表演者介紹如圖5中的道具后，旋轉平臺，使玻璃板一側正對觀眾，分兩步完成了表演：①用兩個打火機同時“點燃”兩支蠟燭；②在玻璃板正對觀眾的一側吹A蠟燭。觀眾看到兩支蠟燭同時被“吹滅”。小明利用道具，和同學們一起探究其中的奧秘。

（1）小明用兩個打火機同時點燃兩支蠟燭，然后模仿表演者吹A蠟燭，結果只吹滅了A蠟燭。和同學討論后，大家一致認為：表演者在表演中只點燃了A蠟燭，B蠟燭并未被點燃。隨后，小明通過實驗驗證了他們的猜想，最終明白了其中的道理：B蠟燭并未被點燃，觀眾看到的是A蠟燭的燭焰通過玻璃板所成的_______。

（2）小明經過進一步探究，發現了確保表演成功的兩個關鍵點：

①兩支蠟燭的大小應符合的要求是_______；

②玻璃板兩側的蠟燭，在放置位置上應滿足的條件是_______。

解析：（1）魔術中的玻璃板相當于平面鏡，觀眾看到的是A蠟燭的燭焰通過玻璃板所成的虛像。

（2）①平面鏡成像時，像和物體的大小相等，因此兩支蠟燭的大小應相同。? ? ②平面鏡成像時，像和物體的連線垂直于鏡面，它們到鏡面的距離相等，因此玻璃板兩側的蠟燭，在放置位置上應滿足的條件是到玻璃板的距離相等，且連線垂直于玻璃板。

答案：（1）虛像? ? （2）①大小相同? ? ②到玻璃板的距離相等，且連線垂直于玻璃板

（作者單位：山東省薛城區教學研究中心）