探究平面镜成像特点实验装置改进与教学

摘 要：针对教材中探究平面镜成像特点实验装置中存在的问题，提出三个改进方案，首先，利用彩色灯泡代替蜡烛使成像更稳定，避免像的不稳定性给实验带来的影响.其次，利用激光笔照射刻度尺，方便直接读取物距和像距及观察像与物连线与平面镜的位置关系.再次，利用可旋转的实验台面，实现从不同角度操作与观察实验.通过实验改进旨在让初中物理实验教学更加高效有序开展，确保实验的成功率，促进学生深度学习.

关键词：平面镜成像;彩色灯泡;激光;旋转底座;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）08-0028-03

基金项目：江西省教育科学“十三五”规划2020课题“以创新实验促进初中物理深度学习的实践研究”（项目编号：20PTYB190）.

作者简介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教学和实验教学.

1 教材实验存在的缺陷

探究平面镜成像的特点是八年级物理（上册）人教版教材中的学生分组探究实验，它既是本节教学的重点，也是学生学习的难点.为了突破该知识点，教材上安排了如图1所示的探究实验装置.在桌面上铺一张纸，纸上竖立一块玻璃板作为平面镜，把一支点燃的蜡烛放在玻璃板的前面，可以看到它在玻璃板后的像.再拿一支外形相同但不点燃的蠟烛，竖立着在玻璃板后面移动，直到看上去它跟前面的蜡烛的像完全重合，这个位置就是前面那支蜡烛的像的位置.移动蜡烛重做实验，在纸上分别记下两个对应的位置，用直线把两个对应的位置连接起来，并用刻度尺分别测出它们到玻璃板的距离，将实验数据记录在实验表格中.

在教学实践中发现，上述探究实验在具体的操作时存在如下一些缺陷：（1）教材中通过观察玻璃板后面未点燃的蜡烛与点燃蜡烛在玻璃板中像是否完全重合来说明像与物的大小相等，但由于玻璃板前面的蜡烛会不断烧短，而后面的蜡烛不变，势必导致像与物无法完全重合现象的出现，同时蜡烛燃烧产生的浓烟也会污染教室环境;（2）实验中需要改变蜡烛的位置多次重复实验，记下多个像与物的位置，并用直线连接物与对应的像点，然后用刻度尺分别测出物距与像距，找出像与物的连线与镜面的关系，步骤繁琐，实验中若物与像点定位稍有偏差就会出现物距和像距不等或连线与镜面不垂直等现象出现;（3）利用图1的实验装置进行学生分组实验时，只能由一个同学单独完成实验操作，且只能从一个方向观察像与物是否完全重合，导致小组的其他同学无法参与实验，失去了分组实验意义.

2 改进创新实验方案

2.1 改进创新实验装置

2.1.1 实验材料

两块20cm×40cm×1.8cm免漆板，一块20cm×20cm×0.3cm 的茶色玻璃板，两块20cm×5cm×1.8cm免漆板，一段直径D1=7.5cm、长为10cm的PVC水管，一段直径D1=8.5cm、长为10cm的PVC水管接头，两把量程为0-20cm的钢尺，两个相同的彩灯，两个5cm×5cm×8cm拼接而成的长方体，四只相同的激光笔（带聚光头）.

2.1.2 制作方法

（1）在两块20cm×40cm免漆板中央用打孔器分别打一个直径为8.5cm和7.5cm、深为5mm的孔，用胶水分别把PVC水管和接头管固定在两块免漆板上，接PVC水管的一块作底座，另一块作实验台面.

（2）在实验台面中间（10cm处）用锯锯一条深为3mm的缝隙，把玻璃板安装在实验台面的缝隙中，在实验台的侧面分别用两块20cm×5cm×1.8cm免漆板夹住玻璃板，并用钉子在实验台面的底面固定死侧板.

（3）将两把量程为0-20cm的钢尺用胶水固定在实验台侧面的免漆板的同一直线上，零刻度线分别紧贴玻璃板.

（4）在距离5cm×5cm×8cm长方体底部上方1.5cm前后方向上钻一个直径为1.5cm孔，距离底部4.5cm左右方向上钻一个直径为1.5cm孔，前后、左右两孔要对称.

（5）用热熔胶把两个彩灯固定在长方体的正中央，同理用热熔胶把激光笔套也分别固定在长方体前后、左右两个孔中，如图2所示，待热熔胶干后，将激光笔插入激光笔套中即可使用.

2.1.3 实验装置结构图

改进创新后的探究平面镜成像的特点实验装置如图3所示.

2.2 改进创新实验方案

用彩色灯泡代替蜡烛，提高成像的稳定性，实验更环保.

针对缺陷（1）：我们用两个大小相同颜色不同的彩色灯泡代替两根等长的蜡烛，开启灯泡当调节到物与像完全重合，此时无论从玻璃板前后的哪个方向观察，始终能看到像与物大小相等，大大提高了成像的稳定性.另外彩色灯泡在使用过程中也不会产生污染物，避免了环境污染.

用激光笔照射刻度尺，直接读取物距和像距及观察像与物的连线与平面镜的位置关系.

针对缺陷（2），我们采用四只激光笔，在实验台面上放置彩灯后，开启两彩灯，以一彩灯为物，另一彩灯为像，调节两彩灯的位置，直至像和物完全重合，由于彩灯是圆形，各个角度均能重合，但彩灯的底座是方形，底座的像与物未必重合，四只激光笔分别安装在底座的前后、左右方向上.当开启两个彩灯座中上方的两支激光笔对射时，对两彩灯再次进行微调，使左右两束激光相互重合，这时的像和物才算是真正完全重合.接着，再开启两个灯座中下方的两支激光笔，使两束激光分别照射到玻璃板两边侧板的刻度尺上，确定物和像的位置，方便直接读出物距和像距的大小关系.由于三束激光和后面的刻度尺组成的是个矩形，玻璃板与刻度尺也是垂直，所以当两束激光重合时，根据几何原理，光束一定与平面镜垂直，即像与物的连线与平面镜垂直，减少了定位、连线、作图、测量等繁琐的实验操作.

利用可旋转的实验台面，实现从不同角度操作与观察实验.

针对缺陷（3），我们用一节PVC水管，用胶水固定在实验台面底部中央，另一节为与该型号相同的水管接头，也用胶水固定在实验底座的中央.实验时只需将实验台面下的PVC管套入底座上PVC管的接头中，就可以使实验台面实现360°旋转，让小组中的每一个同学都能从不同角度进行操作或观察实验现象.

3 用改进装置进行实验教学

3.1 实验步骤

（1）将底座放在水平桌面上，实验台面套在底座上，将两个开启的彩灯放在实验台面上.

（2）将一个作为“物”的红灯平行玻璃板一段距离放置，移动玻璃板后面的绿灯，使绿灯与红灯在玻璃板中的像完全重合.

（3）打开红、绿彩灯底座上面的两支激光笔，再微调两灯的位置，直至两支激光笔发出的两束激光完全重合，且绿灯与红灯在玻璃板中的像也完全重合（如图4所示）.

（4）打开红绿灯底座下面的两支激光笔，读出两支激光笔分别照在玻璃板前后两把刻度尺上的示数，即为物距与像距（如图5所示）.

（5）将绿灯关闭（变成白色），发现红灯的像并没有在白色灯上呈现（如图6所示）.

（6）将红灯平行远离玻璃板两次，重复步骤（2）（3）（4），再次读出物距与像距两次（如图7所示），并把测得的实验数据与观察的实验现象填入表1.

3.2 实验结论

分析上述实验数据，得出平面镜成像的特点：平面镜所成像的大小与物体的大小相等，像和物体到平面镜的距离相等，像和物的连线与平面镜垂直，所成的像为虚像，即平面镜所成的像与物体关于平面镜对称.

4 结束语

总之，我们本着“无中生有，有中求优，优中求简、简中求本”的实验改进与创新思路，通过实验方案的整合，既增强了实验装置的实用性和可循环使用，又简化了实验步骤，使众多的、繁琐的实验操作步骤得以优化，确保了学生分组探究实验的成功率.通过实验改进与创新也为我们的物理教学节省实验操作时间，从而腾出更多时间让学生对本实验进行评估与交流，促进学生深度学习，让初中物理实验教学更能有序、高效开展.通过实验改进与创新，在学生心中播下一颗创新的种子，为学生今后创新能力的培养打下了基础，能大大激发学生的创新意识和创新热情.（此实验装置创意来源云南怒江州民族中学的彭蕊老师，由安福中学初中部周铭垿、王珑鑫、王留扬、刘加成等同学制作，在此表示感谢.）

参考文献：

[1]华东地区初中物理教材编写组.义务教育教科书物理（八年级上册）[M].上海：上海科学技术出版社，2012.

[2]唐洁容，侯新杰.初中物理实验教学中科学方法教育内容显性化研究[J].中学物理，2018，36（06）：2-4.

[3]卢长津.初中物理教学中培养物理思想“四化”策略[J].中学物理，2020，38（12）：5-8.

[4]楊国栋.将生活实际与初中物理实验教学紧密联系[J].中学物理，2017，35（08）：62-64.

[5]江耀基，肖春燕，蓝斗高.做功改变内能实验演示仪[J].物理实验，2019，39（12）：54-55+59.

（收稿日期：2021-01-10）