“平面镜成像”实验的改进与创新

沙琦波

摘 要：本文针对现有的平面镜成像装置存在的若干问题，通过改进成像物体、反射面、物体与平面镜之间的角度，探究物体在多种情况下的成像情况，使书中的平面镜成像规律具有普适性，同时拓宽了学生的思维，该装置更适合学生在课堂上进行自主科学探究，反复尝试，值得推广.

关键词：平面镜;成像;自制

文章编号：1008-4134（2019）22-0013 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

平面镜成像是日常生活中常见的现象，是光的反射知识的应用.也为后面光的折射凸透镜成像提供重要的感性认识.与之相对应的平面镜成像特点的探究是掌握平面镜成像规律的基石，依据新课改理念，“平面镜成像”一节的教学最好采用探究式教学法.即要学生通过独立思考，自主设计，并通过系列情境性的探究活动，促使他们对原有认识上形成的平面镜成像前概念进行加工、修正与深化，然后进一步从感性认识上升到理性探索研究，逐步建立平面镜成像的科学性规律.鉴于此笔者对“平面镜成像”探究实验进行了如下的改进和创新.

1 教材原有实验的局限

1.1 虚像位置判断的缺陷

浙教版平面镜成像的实验装置如图1所示，华师大版平面镜成像的实验装置如图2所示，当物体放于平面镜前时，透过玻璃板可以观察到镜中的像，拿一张白纸放在像的位置无法承接到像，所以此像为虚像，拿一个与物体相同的物体放在像的位置，可以探究得到像与物的大小相等，像在镜面的后方，像到镜面的距离等于物到镜面的距离，像和物对应点的连线与镜面垂直，即像与物关于镜面对称.但是学生在实验的过程中也会发现透过玻璃板隐约可以看到前后两个虚像，这样使得无法准确确定像的位置，究其原因：主要是玻璃板有厚度造成的.

1.2 课堂上使用时的缺憾

依据新课改理念，采用探究式教学法来操作本实验时，发现教材中的装置在课堂教学中还存在以下几点不足：其一是蜡烛或者棋子为成像物体时，由于物体本身左右对称，所以实验中学生不好判断像和物的左右对称性;其二是蜡烛燃烧后会变短，再用和原来蜡烛一样高的蜡烛，用等效替代法就不好判断像和物的大小关系;其三是按照书中的装置方便的是探究平面镜垂直于水平面的成像情况，而无法根据学生日常生活中的实际探究物体不与镜面平行或者物体不在镜子正前方的成像规律.

2 自制平面镜成像实验仪器

2.1 自制平面镜成像仪器的原理

运用组合法如图3所示，用大量角器把贴有汽车膜的薄玻璃板和贴有方格纸的塑料板巧妙地加以组合，使之可以调整和改变平面镜与承放物体平面之间的夹角.并且用F型塑料激光雕刻物体代替棋子或蜡烛作为探究的成像物体进行实验，便于比较像和物相对于平面镜的对称性.将平面镜和承放物体平面之间的夹角调整到一定角度并固定即可实现探究物体在各种放置情况下平面镜成像规律，如何解决技术难题？笔者巧妙地将量角器中间镂空一圈弧形滑槽并加装蝶形螺钉.

2.2 自制平面镜成像仪器的主要结构

平面镜采用薄透明玻璃板一块，在其一面贴上深色汽车贴膜，自粘方格纸2张，同样大小的塑料板2块，将方格纸粘在两块玻璃板上，将薄玻璃板固定在2块塑料板中间，将大量角器用3个蝶形螺钉通过量角器的弧形滑槽固定在塑料板和薄玻璃板的侧面如图4所示.通过旋转蝶形螺钉改变承放物体平面与平面镜的夹角.成像物体采用F型塑料激光雕刻物体.

2.3 本实验装置的创新之处

该装置的三个平面可旋转蝶形螺钉自由转动，这样既可以探究平面镜垂直于水平面时成像的规律，也可以探究物体不在镜子正前方或者物体的放置平面与平面镜有一定角度时候的成像情况，这样的装置应用更加广泛，同时也拓展了学生的思维，使得探究得到的平面镜成像规律更具普适性.

F型塑料激光雕刻物体由于上下左右自身都不一样，在探究的过程中很好比较像与物在形状上的对称性.而且成像清晰，也没有蜡烛燃烧时的空气污染.F型塑料激光雕刻物体底部嵌进了一块小磁铁，方格纸与塑料板之间又有薄铁皮，这样F型成像物体便可以在塑料板面上随意移动和固定，操作简便.

平面镜采用薄透明玻璃板贴上深色汽车贴膜，可以有效避免由于玻璃有厚度而造成的重影现象，方便寻找像的位置.

本实验教学引导学生在已有经验的基础上自己动脑筋思考改进实验，培养学生实验设计能力和动手创新能力，注重学生科学思维的提升.

3 使用自制平面镜成像装置进行科学探究的步骤方法

3.1 联系实际、应用迁移，创新设计实验装置

教学片段如下：

教师：同学们已经在镜子中看到了自己的像，那么，镜中的像和物有什么关系呢？

学生甲：镜子中的像和物体等大，我举左手，像举右手，所以我猜想像和物体左右相反.但是像是正立的.

学生乙：我觉得当我靠近平面镜，我镜中的像看起来变大了，所以我认为像与物不等大.

教師：这些是大家关于像和物大小以及形状上对称性的猜想，到底是否正确呢？我们可以用实验来验证.那么像的位置你们觉得有没有规律呢？

学生：它始终在镜子后方.而且物体靠近平面镜，像也靠近平面镜，所以我猜想像到镜面的距离等于物到平面镜的距离.像和物的连线与镜面垂直.

教师：这是大家的猜想，我们一起用实验来证明.（教师拿出一面大镜子和一支笔示范）我们怎么比较镜中的笔和我这支真的笔的大小关系呢？同桌讨论一下.

学生：把笔拿到像的位置上去比大小.

教师：（按照学生说的操作，发现镜子前的笔一拿开，它的像也不见了.）我们该怎么办呢？有没有好方法，既不用拿走镜子前的笔，又可以判断像与物体大小关系呢？

学生：拿一支与原来镜子前物体一样的笔当作物体与像去比大小.

教师：同学说得很好，这就是等效替代法.我们用一个与镜子前成像物体一样的物体代替前方物体去和像比大小.（接着教师按照学生说的操作，发现在镜子前面只看见像，却看不见移过去的那一支笔）.那么我们可以怎么改进这个实验呢？

学生一时想不出来，教师播放事先准备好的一个实验，让学生观看，从中受到启发.

教师播放水中蜡烛实验视频如图5所示.视频中教师将水倒入玻璃杯并加满，但是蜡烛的火焰却没有熄灭.这是为什么呢？此时视频中镜头拉远，学生发现原来我们看到的透明玻璃板后的景物不是真燃烧着的蜡烛.燃着的蜡烛在玻璃板的前面.通过视频播放的水中蜡烛实验，学生自然而然想到了探究平面镜成像实验，为了方便比较像和物的大小关系，我们也可以不用平面镜而用玻璃板.

教师：刚才有的同学猜想像与物是左右相反的，那么对于成像物体我们有没有要求呢？

学生：为了区分方向，我们可以选用上下左右都不对称的物体.

教师：（教师拿出F型塑料激光雕刻物体）如何放置物体呢？物体一定要与镜面平行吗？

学生：随意放都会成像，都可以探究像与物的关系.

教师：（按照学生说的操作，发现有时候物体不在水平面上，很难找到像.）我们可以怎么改进呢？

学生：成像的物体所在的平面最好能动.

教师：一般的玻璃板有厚度，我们看一下成像的时候会有重影现象，有什么办法可以改进呢？

学生：在其一面贴上深色汽车贴膜.

教师：好，我们再来看一下，结果只能看到一个像.

最后，教师按照学生的设计拿出自制教具（如图4所示）.

设计思想：联系实际，通过观察镜中的像，建立像与物的关系的猜想，充分暴露学生的前概念.为了完成探究实验，教师不停地启发，适时追问，借助水中蜡烛实验来让学生迁移想到用玻璃板代替平面镜，同时使学生明确要探究像与物体的大小，研究在各种放置情况下所成的像需要怎样的实验装置，以及如何避免重影现象.

3.2 小组合作组装实验仪器，操作探究平面镜成像规律

教学片段如下：

教师：现在请同学们四人小组合作，把我们的平面镜成像实验仪器安装好并开始探究.

学生组装好如图6所示，将一个F型成像物体放于平面镜前的方格纸的任一交叉点上，透过平面镜看到镜后面的虚像，学生再把另一个大小形状一样的F形物体放到虚像的位置进行比较，多次实验，得到平面镜垂直于成像物体所在平面时的成像规律.

接着，学生调节平面镜与成像物体所在的平面的夹角使之成锐角如图7所示，探究物体不与镜子平行时的成像规律.将一个F型成像物体放于平面镜前的方格纸的任一交叉点上，同样透过平面镜看到镜后面的虚像，学生再把另一个大小形状一样的F型物体放到虚像的位置进行比较，多次实验，得到平面镜与成像物体所在平面成锐角时的成像规律.

最后，学生调节平面镜与成像物体所在的平面的夹角使之成钝角，探究物体不在镜子正前方时的成像规律.放上F型成像物体，以及用另一个完全一样的F形物体找像时，可以得到如图8的情况.多次实验，便可以得到这种情况下的成像规律.

教师：同学们综合三种情况的探究实验，你们得到了什么结论.

学生：平面镜成的是虚像，像与物相对镜面是对称的.

设计思想：在学生自主设计实验后，让学生自主操作探究、自主发现规律.而且借助改进和创新的自制教具，探究多种情况下的成像情况，拓展了学生的思维，同时使得书中的结论更具普适性.

3.3 由“三维到二维”，从实践探究到思维探究

教学片段如下：

教师：刚才我们通过自制教具实验探究得到了平面镜成像的规律.解决光学问题我们还有一种重要的方法就是画光路图法，现在请你用作光路图的方法，在白纸上画出F型物体所成的像好吗？

学生通过光的反射定律作图，找到了像，从理论上也分析得到了平面镜所成的像是虚像，像与物等大，像与物的连线与镜面垂直，像到镜面的距离等于物到镜面的距离，即像与物相对镜面对称.

设计思想：从实际的利用自制教具探究，从三维空间来认识平面镜成像，到让学生自己画光路图从二维空间上来认识像，培养学生从实验到理论分析，动手动脑学科学完成科学探究的全过程.

以上是对平面镜成像创新实验应用的部分教学片段.从学生课后反馈的情况以及学生的检测数据获知，该实验在教学各方面基本都优于传统的平面镜成像实验仪器的课堂教学.特别体现在以问题为主导、以探究为主线、以拓展学生思维为主要目标的教学方面表现尤为突出，经过课堂的反复尝试应用，效果特别理想.

参考文献：

[1]曾新基.平面镜成像实验的改进[J].中学物理，2017，35（06）：27+37.

[2]陈刚.也谈“探究平面镜成像”实验的改进[J].湖南中学物理，2019，34（07）：55-56.

[3]李绪玉.探究平面镜成像实验过程改进[J].中学物理教学参考，2019，48（12）：59.

[4]张兴叶.探究平面镜成像特点实验的反思[J].中学物理教学参考，2019，48（12）：94.

[5]左薇薇.以趣促思，讓学生的学习更有激情——以“平面镜成像”为例谈初中物理的教学优化[J].中学物理教学参考，2019，48（10）：74-75.

[6]韩玉玲.初中物理平面镜成像实验的改进[J].中国现代教育装备，2019（08）：34-36.

（收稿日期：2019-06-12）