初中物理平面镜成像实验与改进

陈 刚

(西安交通大学苏州附属初级中学,江苏 苏州 215021)

“探究平面镜成像时像与物的关系”是初中物理的经典实验之一,《义务教育物理课程标准(2011版)》(以下简称《课标》)对《平面镜》的要求为: ① 通过实验,探究平面镜成像时像与物的关系; ② 知道平面镜成像的特点及应用[1]．为了便于教学与评估,《课标》将该实验列入20个学生必做分组实验．由于平面镜成的是虚像,不能直接呈现在光屏上,给确定像的位置带来很大的困难,也给教材的编写和教师的教学带来一定的难度．

1 初中物理教材中平面镜成像实验分析

1.1 六种版本教材编排“平面镜成像”部分内容比较分析

对现行使用范围较广的六种版本的初中物理教材,从教材“编排顺序”、探究中使用的“主要实验器材”和是否有“光路图”3个方面进行比较,如表1．从知识呈现顺序看只有苏科版将“平面镜”放在“光的反射”之前,其他的5个版本都置于“光的反射”之后,由于平面镜成像的原理是“光的反射”,或说是“光的反射”的具体应用,所以“平面镜”知识后置符合物理学知识的逻辑顺序,也有利于用反射的光路图解释像、物关系．六套教材基本都采用替代的方法确定像的位置,因此实验中用既能反射又能透光的平板玻璃代替平面镜,通过“重合”确定像的位置,实验操作如图1．人教版和教科版在实验探究后作出如图2所示的物体成像光路图,苏科版在后续学习的“光的反射”一节中也用光路图解释了平面镜成像的原理．

图1 图2

教材版本编排顺序主要实验器材光路图 人教版“光的反射”后玻璃板+蜡烛+刻度尺有 教科版“光的反射”后玻璃板+蜡烛+刻度尺有 北师大版“光的反射”后自选器材无 沪科版“光的反射”后玻璃板+蜡烛+刻度尺无 沪粤版“光的反射”后玻璃板+蜡烛+直尺无 苏科版“光的反射”前玻璃板+棋子+方格纸有

1.2 现有装置的系统误差分析

1.2.1 教材中的“替代法”引起的误差研究

图3

1.2.2 文献中的“拼接法”引起的误差研究

图4

图6

综合上述分析,不管是利用平板玻璃的前反射,通过镜后物体与像重合,还是利用平面镜的后反射面,通过拼接的方法确定像的位置,都不能避免由于折射引起的系统误差,所以实验中测得的 “像距”一定不等于“物距”．因此在没有较好改进方案的前提下,这也许是人教、教科和苏科版增加图2所示的“平面镜成像原理”光路图的缘由,在实验的基础上,再理论证明,便于学生从本质上理解为什么像距等于物距．因此物理规律的形成除了实验验证,还应该从理论上进行推导,如果能够尝试利用所学知识进行推导,并且得出同样的结论,我们的研究过程就更完美了[5]．

2 实验改进

通过上述分析,将拼接法中平面镜的反射面镀膜到前表面,即用前反射面成像,再将若干该条形平面镜间隔一定空间排列,通过中空部分直接观察镜后的物体,利用镜后物与镜中像直接拼接,此时观察到的“像”和“物”都没有发生折射,可以有效避免由于光的折射引起的系统误差．表面平整、不易形变、反射率高、便于加工的新材料——镜面钢,可以代替平面镜,改进“平面镜成像”的实验设计．

2.1 材料和工具

镜面钢(厚度1 mm,不能被磁铁吸引)、强磁(10 mm×20 mm×100 mm)、铝合金框、铁质螺帽、万能胶、方形铁管(外径比铝合金框的内径要小)、两个等大的物体、发泡枪、A4纸、燕尾夹

2.2 制作过程

(1) 制作反射面.

① 教师演示的反射面:将1 mm厚的镜面钢截取成规格为10 mm×100 mm长条形5根,用万能胶将两个铁质螺帽粘在条形镜面钢背面的两端．如图7．

② 学生实验的反射面:将1 mm厚的镜面钢截取成规格为90 mm×120 mm的方形镜面钢,中间等间隔挖空4个10 mm×100 mm长条形,如图8．

图7

(2) 制作支架.

图9

① 教师演示的支架:截取一段长200 mm的矩形铝合金框,确保截取面与各边线垂直,截取一段长198 mm的方形铁管(便于取放强磁),置于铝合金框内,用发泡枪向管与框之间的缝隙内填满泡沫发泡剂,静置1小时左右,使铁管固定在框内．将强磁置于铁管内,吸于其中的一边,俯视图如图9所示．

② 学生实验的支架:每组两个燕尾夹.

(3) 制作刻度尺:在A4纸上打印若干规格为8 mm×6 mm的方格,制成方格纸．

2.3 使用方法

(1) 教师演示.

① 将方格纸放在水平桌面上,支架竖直置于方格纸上,让长条形镜面钢吸在支架上,镜面钢的反射面紧贴支架表面,使5根镜面钢紧密相连,形成一个整体,使最下面的一根与方格纸上的一条线重合,如图10．镜前放一物体A,通过镜面钢成一清晰的完整的像A′,移动物体A,A′像也随之移动．如图11．

图10

② 将5根镜面钢彼此分开约10 mm左右,镜后成物体A不连续的像．如图12．

③ 在镜后放一外形、大小相同的物体B,透过条形镜面钢间的缝隙,可见一不连续的物体B,如图13;移动B使之与像A′连成一个完整的整体,此时B点的位置即为A点的像的位置．如图14．

图12

图14

④ 分别数出像和物到镜面的距离．

⑤ 移动A,重复上述过程3次．

(2) 学生分组实验.

① 将方格纸放在水平桌面上,将用燕尾夹夹好的镜面钢竖直在方格纸上,使镜面钢的底边与方格纸的一条线重合．镜前放一物体A,镜后成物体A不连续的像．如图15．

② 在镜后放一外形、大小相同的物体B,透过条形镜面钢间的缝隙,可见一不连续的物体B,如图16．移动B使之与像A′连成一个完整的整体,此时B点的位置即为A点的像的位置．如图17．

③ 分别数出像和物到镜面的距离．

④ 移动A,重复上述过程3次．

图15

图16

图17

2.4 教具优点

(1) 利用镜面钢前反射面成像和挖空镜面直接观察镜后的物体,不管是看到镜中的像,还是看到镜后的物体,都没有发生折射,从而避免了由于光的折射而引起的系统误差．

(2) 由于镜面钢的反射率较高,所成的像很清晰,在正常实验条件下,不需额外的光源即可完成．

(3) 教师演示的支架用铝合金框制成,表面平整,5块条形镜面钢在其表面紧密排列,组成一个平整的大平面镜,内置强磁,通过磁力将粘有铁质螺帽的镜面钢吸在支架的竖直表面,由于磁力适当,教师能够在实验中轻松将条形镜面钢取下,再彼此分开的吸回到支架的表面,方便教师演示．

(4) 在实验拼接的过程中,通过观察镜后物体和像上多条同一部位的直边线是否连成一线,若从不同方位观察都成一线,说明像的位置是正确的,用这种是否成一直线的方法来判断,便于实验者较准确地确定像的位置．如图18所示,实验中主要观察的位置是镜中像与镜后物组成的两条边的直线．

(5) 该教具的教师演示和学生分组用的反射面略有不同,教师用的多根等大的长条形镜面钢可分可合,在演示过程中镜面钢从合到分,预设“拼接法”的思维方法,从而解决了如何确定虚像的位置．学生分组实验中用一整块中间挖空的镜面钢,在保证能够准确实验的情况下,有利于学生操作,便于学生在有限的时间内,快捷、高效地完成实验探究．

3 小结与建议

基于上述分析,笔者建议对于教材中的平面镜成像实验进行改进,利用挖空的镜面钢代替平板玻璃,尽量减小由于光的折射产生的系统误差,使实验更可靠．著名的物理学家密立根说过:科学是在用理论和实验这两只脚前进的．有时是这只脚先迈出一步,有时是另一只脚先迈出一步,但是前进要靠两只脚:先建立理论然后做实验,或者是先在实验中得出了新的关系,然后再迈出理论这只脚并推动实验前进,如此不断交替进行．因此有必要像人教版教材一样,在实验探究后作出如图2所示的物体成像光路图,进一步解释平面镜成像的原理,让物理学用“实验”和“理论”双脚前行．