平面镜成像仪的制作及应用

摘" "要：在中学探究平面镜成像特点的实验时采用的传统器材在某些方面有待改进，为此，利用亚克力板取代玻璃板，引入扭矩和磁吸设计实现360度任意停，突破传统仪器对物像关系探究的局限，使学生对物像关系更加立体化，磁吸小人偶动作可以自行改变，将镜面对称与轴对称区分开，增加了实验的趣味性，同时解决了蜡烛的不安全性。利用情境教学，发展学生创造性思维，从而增强学生树立物理来源于生活的观念。通过创新实验探究，培养学生物理学科核心素养。

关键词：平面镜成像；立体；镜面对称

引言

利用薄玻璃板，蜡烛探究平面镜成像特点仍存在一定的缺陷。例如：使用薄玻璃板消除了重影，便于确定像的位置，不足之处在于易碎，只能探究水平方向上的物像关系，不能探究竖直方向的物像关系。虽然能利用坐标纸更方便快捷地探究物与像的等大关系、等距关系[ 1 ]，但等大、等距关系并不足以说明镜面对称特点，为此，笔者采用亚克力板设计一款“平面镜成像仪”并用于学生分组实验，更全面地探究平面镜成像特点。

1" 准备材料

2块木板、1块亚克力板、2个底部带磁铁的小人偶、2对金属扭矩、2块铁皮、2只底部带磁条的小黄鸭模具、1把角度尺。

2" 外观及结构说明

2.1" 仪器外观如图1所示。

2.2" 仪器结构说明

平面镜成像仪的结构如图2所示，具体说明如下：

（1）当两边底板平放于桌面时，利用角度尺将平面镜调整到与底板垂直的位置，此时与传统的平面镜成像仪功能一致。

（2）当调整平面镜与某一边底板的夹成60度时，我们发现成像的位置，无法在另一块底板上找到，必须将另一底板与平面镜的夹角也进行调整，才能使物、像重新重合。

3" 制作说明

3.1" 装置的截剪

（1）裁剪240 mm × 220 mm × 0.5 mm.铁皮两片。

（2）割锯280 mm × 220 mm × 10 mm.木板两片。

在木板的窄边上开个长方形的槽（160 mm × 15 mm）用于安装扭矩。

（3）裁剪200 mm × 200 mm × 2 mm，亚克力半透镜一片，同时在左右上角裁一个长方形，形成一个凸起的形状。

3.2" 制作步骤

（1）用玻璃胶将2块平整的铁皮分别固定于2块木板未开槽的那端。

（2）取一小木条（200 mm × 10 mm × 5 mm）用玻璃胶玻将裁剪过的亚克力半透镜凸起的边对准木条的中央固定住，同时在木条的双边各钻2个3 mm的圆孔，用于安装扭矩。

（3）将大号0.5 N·M一对阻尼铰链扭矩把矩安装于两片木板之间，将一对同边0.15N·M扭矩安装于木条与木板之间。

（4）用玻璃胶将圆形强力磁铁（直径8 mm厚3 mm） 贴于积木人偶底部。

3.3" 注意事项

（1）在使用玻璃胶过程中应保持木板与铁皮的平整性，木条与亚克力板的平整性，否则对最终的物、像研究有影响。

（2）安装扭矩时要注意型号等，最终的模具要实现360度任意停。

4" 仪器结构备选方案分析[ 2 ]

备选方案1

在选用铁皮时，直接用3D钻孔的厚铁片，无需木板作为底板。优点为：制作简单，成本低。不足之处：器材笨重，在搬运过程中扭矩的螺母容易松动。

备选方案2

在选用铁皮时直接用3D钻孔的铁皮，无需木板作为底板，但扭矩的螺母有一定厚度，因此用一块中间带凹槽的木板放置于桌面上，用于探究将物体与平面镜垂直放置时的物像关系。优点：制作简单，探究立体关系时轻便。不足之处：器材分离，在准备学生实验时麻烦。

5" 改进优势及应用

5.1" 改进优势

（1）创新并改进课堂实验，可开展\"实际\"探究实验。借助小黄鸭模具显示\"门前大桥下游过一群鸭\" 的模拟情境（如图3），利用情境教学，发展学生创造性思维，从而增强学生树立物理来源于生活的观念。

（2）亚克力半透镜取代传统玻璃制半透镜。

（3）阻尼铰链扭矩实现360度任意停，突破传统仪器对物像关系探究的局限，使学生对物像关系更加立体化。

（4）磁吸小人偶动作可以自行改变，将镜面对称与轴对称区分开，增加了实验的趣味性同时解决了蜡烛的不安全性。

（5）坐标纸与角度尺的引入使实验探究数据更加直观准确。

5.2" 教学应用

（1）结合激光笔、补水仪观察入射光线在半透镜处发生反射的两条光路，突破平面镜所成的像是虚像的难点。

（2）利用“平面镜成像仪”分组探究平面成像规律，其实验步骤如下：

[传统平面探究]

①将底板展开放置于桌面上，借助角度尺，将亚克力半透镜垂直于底板。

②将坐标纸穿过中间的凹槽平铺于两边底板上。

③将磁吸人偶放置于一边的坐标纸上，并标记位置，调整一个姿势（右手举起）用另一个磁吸人偶在半透镜的另一侧去找到与像重合的点位并标记位置，同时调整人偶姿势。

④改变人偶的位置，多次实验并记录。

[立体探究]

①借助角度尺，调整亚克力半透镜与底板的夹角至60度。

②翻转另一边的底板，致使物像重新重合。

③用角度尺测出亚克力半透镜与另一边底板的夹角。

④改变夹角多次实验并记录数据。

⑤结合实验现象并根据实验数据，总结出平面镜成像特点。

综上所述，结合“平面镜成像仪”设计本实验方案，可以让学生经历从观察生活情境到对物理问题的思考，进而经历平面镜成像科学探究过程，了解平面镜成像特点，突破镜面对称的难点。

学生经历了从传统平面探究到立体探究，这一过程不仅训练了学生建立模型的能力，同时提升了学生的科学素养。

参考文献：

［1］ 黄葛鸿.“手持式光路显示议”的制作及应用[J].实验教学与仪器，2019（5）：51-53.

［2］ 周伯文.“平面镜成像”实验探究性教学[J].黑龙江科学，2017（2）：36-37.