探究平面镜成像的特点

黄继奎

探究平面镜成像的特点实验是新课标要求的21个学生必做实验中的重点实验，为提升同学们的科学探究素养及“知行合一、学以致用”的能力，下面通过四个维度加以突破。

[实验要点]

1.实验原理：光的反射定律。（装置如图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，便于确定像的位置（平面镜不能透光，无法确定像的位置）；（2）两支完全相同的蜡烛可以比较物与像的大小关系；（3）刻度尺可以测量物距和像距；（4）光屏可以判定像的虚实，若光屏能承接到像，则为实像，反之为虚像。

3.实验方法：等效替代法（用两根完全相同的蜡烛，其中一支蜡烛等效为另一支蜡烛的像）。

4.器材组装：白纸对折后展开，平铺在水平桌面上，将玻璃板竖直放置在白纸中间的折线上。点燃玻璃板前的蜡烛A，玻璃板后的蜡烛B不点燃。

5.实验操作的关键：（1）判断像的大小和位置的方法：移动玻璃板后的蜡烛B，使其与蜡烛A的像完全重合，蜡烛B的位置和大小就是蜡烛A的像的位置和大小。（2）收集数据的方法：在白纸上标记蜡烛A和蜡烛B的位置，用刻度尺测量两支蜡烛与玻璃板的距离，并比较两组数值是否相等，连接两支蜡烛的位置，判断连线与玻璃板是否垂直。（3）多次实验的目的：使实验结论具有普遍性。（4）数据表的设计：记录物距、像距、物像大小关系及多次实验的数据。

6.实验注意事项：（1）本实验应该在较暗的环境中进行，目的是使实验现象更明显；（2）玻璃板要与水平桌面垂直放置，目的是确保物和像重合，否则玻璃板后的蜡烛无法与像完全重合；（3）点燃玻璃板前蜡烛，目的是使成像更清晰，玻璃板后蜡烛不点燃，替代镜前蜡烛的像，这用到了等效替代法。

7.实验结论：平面镜成的是虚像，像与物关于平面镜对称。

[实验拓展]

1.选择薄玻璃板的原因：由于玻璃板的前后表面均能反射成像，为了减小两个像之间的干扰，玻璃板要尽量薄一些。

2.选择方格纸代替白纸的优点：可以更加直接地确定像和物的位置关系。

3.在光具座上做实验的好处：确保实验装置都在同一水平直线上，使实验更易操作。

4.观察像时，会发现两个几乎重叠的像：这是玻璃板的两个反射面分别成像造成的。

5.若玻璃板向点燃的蜡烛方向倾斜，则蜡烛的像在未点燃蜡烛的上方；若玻璃板向未点燃的蜡烛方向倾斜，则蜡烛的像在未点燃蜡烛的下方。

6.测得蜡烛和像到玻璃板的距离不相等的可能原因：玻璃板较厚；玻璃板与水平桌面不垂直；未点燃的蜡烛与点燃蜡烛的像没有完全重合；测量长度时存在误差。

7.对虚像的理解与观察视角：人眼逆着反射光线看到的镜后的像，是反射光线反向延长线的交点，没有实际光线的会聚，是虚像，光屏不能承接。平面镜成像是光的反射现象，在镜前反射光线所在的区域可以观察到物体的像，在镜后无法观察到物体的像，因为镜后没有反射光线进入人眼。

[能力提升]

例1 （2023·湖南）如图2甲所示是“探究平面镜成像特点”实验的装置，把一支点燃的蜡烛A放在玻璃板的前面，再拿另一支外形相同的蜡烛B竖立着在玻璃板后面移动，直到蜡烛B看上去跟蜡烛A的像完全重合，在白纸上标记A和B的位置。移动蜡烛A，重复多次以上实验。

（1）选用玻璃板代替平面镜，主要是为了_______ 。

（2）实验中两支蜡烛要完全一样，目的是为了_______ 。

（3）当蜡烛A远离玻璃板时，它的像的大小将_______（选填“变大”“变小”或“不变”）。

（4）将蜡烛A竖直放在水平桌面上，点燃蜡烛观察发现：玻璃板中蜡烛A的像偏低且倾斜。你认为在图2乙所示的①、②、③三幅图中，_______ 图是产生以上实验现象的原因。

解析：（1）玻璃板既能透光也可成像，容易确定像的位置，而平面镜不透光，无法确定像的位置，所以选用玻璃板代替平面镜。

（2）选取两支外形相同的蜡烛进行实验，目的是比较像与物的大小关系。

（3）物体与像始终大小相等，当蜡烛A远离玻璃板时，它的像仍与A相等，像的大小不变。

（4）实验时平面镜必须竖直放置，如果不竖直，不论怎样移动后面的蜡烛，它都不可能与前面蜡烛的像完全重合。图2乙中，图①平面镜竖直放置，不会出现像偏低的情况，图②和图③平面镜没有竖直放置，分别作出蜡烛A关于平面镜的对称点A'，如图3、图4所示，发现图4中蜡烛A的像偏低且倾斜，故③符合题意。

答案：（1）确定像的位置 （2）比较像与物的大小关系 （3）不变 （4）③

[综合实践]

例2 （2022·山东·济宁）在校园科技节活动中，小明观看了隔着玻璃吹蜡烛的魔术。表演者介绍如图5中的道具后，旋转平台，使玻璃板一侧正对观众，分两步完成了表演：①用两个打火机同时“点燃”两支蜡烛；②在玻璃板正对观众的一侧吹A蜡烛。观众看到两支蜡烛同时被“吹灭”。小明利用道具，和同学们一起探究其中的奥秘。

（1）小明用兩个打火机同时点燃两支蜡烛，然后模仿表演者吹A蜡烛，结果只吹灭了A蜡烛。和同学讨论后，大家一致认为：表演者在表演中只点燃了A蜡烛，B蜡烛并未被点燃。随后，小明通过实验验证了他们的猜想，最终明白了其中的道理：B蜡烛并未被点燃，观众看到的是A蜡烛的烛焰通过玻璃板所成的_______。

（2）小明经过进一步探究，发现了确保表演成功的两个关键点：

①两支蜡烛的大小应符合的要求是_______；

②玻璃板两侧的蜡烛，在放置位置上应满足的条件是_______。

解析：（1）魔术中的玻璃板相当于平面镜，观众看到的是A蜡烛的烛焰通过玻璃板所成的虚像。

（2）①平面镜成像时，像和物体的大小相等，因此两支蜡烛的大小应相同。    ②平面镜成像时，像和物体的连线垂直于镜面，它们到镜面的距离相等，因此玻璃板两侧的蜡烛，在放置位置上应满足的条件是到玻璃板的距离相等，且连线垂直于玻璃板。

答案：（1）虚像    （2）①大小相同    ②到玻璃板的距离相等，且连线垂直于玻璃板

（作者单位：山东省薛城区教学研究中心）