创新性“平面镜成像”实验仪器的设计与制作

彭 蕊 尹德都 王昆林

(楚雄师范学院物理与电子科学学院 云南 楚雄 675000)

平面镜成像是初中几何光学知识中的重要内容.借助平面镜成像的实验仪器是讲好本节内容常用的教学手段.传统的教学仪器多数是使用两只等高的蜡烛和一块玻璃板来完成，该实验方法虽然简单可行，但也存在着明显的不足[1].随着时代的进步，一些新的方法和仪器问世，为传统平面镜成像仪器的改革和创新提供了平台.

本文采用了直流电供电的等大色灯作为物和像，用红色激光笔准直定位，结合色光混合原理，使平面镜的成像规律更加直观明显地呈现出来.

1 实验仪器基本原理

平面镜成像实验仪器原理图，如图1所示.用一块透明玻璃板作为平面镜，玻璃板两端分别放置自带直流电源的红、绿两个小灯，各灯座下面均安装带有开关的红色激光笔.用一块平整木板作为底板，在底板的侧面垂直安装定标尺.在底板的底面安装带有分离式旋转功能的轴承，通过轴承的旋转可使整个底板在平行平面内作360°旋转[2].

上述实验方案中，红灯作为成像物，其所在的方位为观察方，绿灯用来确定红灯的像位.根据色光混合原理，红光与绿光按照不同的比例混合产生黄光[3]，当绿灯的位置与红灯像的位置完全重合时，从观察方可看到红灯的像变为黄色.红灯所成像的大小及其位置可由实体绿灯准确表现出来，其示意图如图2和图3所示.

图1 平面镜成像实验仪器原理图

图2 红灯的像与绿灯部分重合示意图

图3 红灯的像与绿灯完全重合示意图

上述实验设计中，通过激光笔准直定位，不仅可以便捷地测出物距和像距，还可以直观地显示出红灯和红灯所成像的位置关于平面镜对称.在平面镜另一侧设有绿灯，为寻找像的位置和比较大小提供便利；采用分离式旋转平台，使不同方位的观察者始终处在观察方，能够多角度多方位地观察实验现象.

2 实验装置

灯泡安置在灯座上，灯座由电源盒和激光盒组成，激光盒内平行装有红色激光笔，整个灯座可在底板上自由移动，如图4所示.

图4 等大的色灯示意图

底板的中间固定木质插槽，以保证玻璃板能稳定插入插槽内，并与底板保持垂直.在底板的侧面垂直粘有定标尺，用于测量物距和像距.

底板与支柱之间安装分离式旋转轴承(滚珠轴承)，以保证底板可以自由旋转，又可以与支柱分离，如图5所示.

图5 组合转台示意图

3 实验探究

3.1 探究像与物大小相等

将等大的红、绿色灯置于玻璃板两侧，从红灯方能看到红灯所成的像，在玻璃板后面移动绿灯，使之逐渐接近红灯的像，直至完全重合，此时从红灯方看到绿灯完全变为黄灯.说明红灯的像和红灯大小相等.

3.2 探究像与物到镜面的距离相等

打开两激光笔，使激光束垂直投射到定标尺上，从定标尺上激光点的位置和玻璃板(镜面)在定标尺上的位置，两个位置读数之差即为物距或像距.具体实验步骤为：实验开始时，同时打开红灯和绿灯，并将二者置于玻璃板两侧近似对称的位置，从红灯一侧透过玻璃板向绿灯观察，同时缓慢移动红灯和绿灯，当看到绿灯变为黄色时停止移动，此时红灯的像与绿灯重合，因此变为黄色.然后，打开两灯的激光笔，使激光束垂直射在定标尺上，读出两个激光点和玻璃板的位置读数，红灯的激光点位置与玻璃板位置之差即为物距，绿灯的激光点与玻璃板位置之差即为像距，从而得出像距等于物距.

3.3 探究像与物对应点的连线与镜面垂直

将激光盒放置在玻璃板两侧，使两激光笔发出的激光相向而对.当绿灯与红灯的像完全重合变为黄灯时，两激光投射到玻璃板上汇聚于同一点.用手持加湿器在仪器上方喷出适量的水雾，即可看到两激光笔发出的激光束重合为一线，并垂直于玻璃板.说明像和物对应点之间的连线与镜面垂直.

4 结束语

综上所述及其探究可知，使用激光定位、色光混合原理、可自由旋转的转台，对传统的平面镜成像实验进行创新性的改进，使仪器的功能和效果得到了较大的提升，提高了实验的准确性，增强了教学的趣味性.在课堂教学过程中，结合该仪器进行实验探究，让学生体验科学探究的过程，受到科学方法的教育，同时能获得充分的感性认识，培养了学生的科学素养和科学探究的能力.