薛海峰

摘 要 針對(duì)在初中物理“探究平面鏡成像特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中存在的三種常見(jiàn)誤區(qū)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析誤區(qū)產(chǎn)生的原因，并提出解決辦法。

關(guān)鍵詞 平面鏡成像；初中物理；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）23-0143-03

探究平面鏡的成像特點(diǎn)是初中物理光學(xué)部分的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生理解、掌握和應(yīng)用平面鏡成像的特點(diǎn)，以及養(yǎng)成求實(shí)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)有著重要作用?！巴ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)，探究平面鏡成像時(shí)像與物的關(guān)系。知道平面鏡成像的特點(diǎn)及應(yīng)用”，這是《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》關(guān)于探究平面鏡成像特點(diǎn)時(shí)的文字表述。具體通過(guò)何種實(shí)驗(yàn)探究，課標(biāo)并沒(méi)有明確。而現(xiàn)行初中物理多個(gè)版本，如人民教育出版社、上?？茖W(xué)技術(shù)出版社、江蘇科技出版社出版的八年級(jí)物理教材，包括國(guó)外一些著名的物理教材[1]，在內(nèi)容安排上都不約而同地選用了平面玻璃來(lái)替代平面鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。筆者以為這樣設(shè)計(jì)的主要用意是方便學(xué)生確定虛像的位置與比較像物的大小，但是也容易給實(shí)際教學(xué)帶來(lái)探究和認(rèn)知上的誤區(qū)。

1 誤區(qū)與分析

誤區(qū)一：用平面鏡無(wú)法確定虛像的位置或比較像物的大小 對(duì)于為什么沒(méi)有選用平面鏡來(lái)探究平面鏡的成像特點(diǎn)，各版本教材編排過(guò)程中皆未做充分說(shuō)明，教參中也未提供必要的參考，以至于許多教師誤以為：平面鏡不透光，用它就無(wú)法確定虛像的位置或比較像物的大小，所以不能直接用于探究平面鏡的成像特點(diǎn)，只能改用平面玻璃。在許多公開(kāi)課和習(xí)題指導(dǎo)中常?？梢钥吹竭@樣的錯(cuò)誤。事實(shí)上，用平面鏡探究平面鏡成像特點(diǎn)是完全可行的，主要有以下兩種方法[2]。

方法一：瞄準(zhǔn)法。如圖1（a）和（b）所示，主要是通過(guò)直刻度尺，沿平面鏡前直立鉛筆兩側(cè)瞄準(zhǔn)鏡后虛像，并畫出相應(yīng)的延長(zhǎng)線，從而確定虛像的位置。

方法二：拼結(jié)法。如圖2所示，另取一支同樣的鉛筆，放于平面鏡后，并前后左右調(diào)節(jié)其位置，同時(shí)對(duì)著平面鏡觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏡后這支鉛筆的上部（實(shí)物）與鏡前鉛筆的下部在鏡中所成的虛像正好重合，且不隨視線左右調(diào)節(jié)而改變時(shí)，標(biāo)記出它的位置，即確定了虛像的位置。其實(shí)這也同步確定了像與物的大小關(guān)系。

以上兩種方法簡(jiǎn)單易行，且更貼近探究的主題，尤其是第一種瞄準(zhǔn)法，實(shí)際上還隱含了空間定位與視覺(jué)立體感形成的基本原理[3]。實(shí)際探究中兩種方法可以相互組合，先用瞄準(zhǔn)法定位虛像的位置，再用拼接法進(jìn)一步驗(yàn)證虛像的位置與大小。此外，在國(guó)外教材[4]中還看到過(guò)一種用照相機(jī)對(duì)焦環(huán)來(lái)測(cè)定虛像位置的方法，同樣簡(jiǎn)單可行，值得一試。

誤區(qū)二：透過(guò)平面玻璃或平面鏡只看到一個(gè)像 事實(shí)上，由于平面玻璃和平面鏡前后表面的多次反射、折射，理論上講可以形成無(wú)數(shù)個(gè)虛像，實(shí)際探究中仔細(xì)觀察，也常能看到兩三個(gè)甚至更多的較為清晰的像，具體看到像的多少取決于環(huán)境亮度、器材反射率、光的照射與觀察角度等諸多因素。為了動(dòng)態(tài)展示虛像的位置及變化，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)幾何畫板動(dòng)畫，可動(dòng)態(tài)調(diào)整遠(yuǎn)近、厚度、角度等各關(guān)鍵變量。為便于分析，圖3中僅顯示了3個(gè)虛像。

但虛像的亮度是各不相同的。解釋如下：設(shè)空氣的相對(duì)折射率為1，玻璃的相對(duì)折射率為1.5，入射光的相對(duì)強(qiáng)度為1；為簡(jiǎn)化分析計(jì)算，討論僅限于10°以內(nèi)的小角度入射情況，根據(jù)菲涅爾定律，可計(jì)算得空氣與玻璃的分界面上光的反射率約為4%，透射率為96%；當(dāng)折射光以更小的角度入射后表面時(shí)，反射率和透射率仍為4%和96%左右。這一過(guò)程也可參看科羅拉多大學(xué)PhET網(wǎng)站提供的Java動(dòng)畫[5]動(dòng)態(tài)計(jì)算，材料與折射率可調(diào)控，如圖4所示。

若是后表面鍍銀的平面鏡，則反射率可達(dá)85%左右。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮分界面上光的能量損耗。由表1中數(shù)據(jù)可知，用平面玻璃探究平面鏡成像時(shí)，容易受到二次像A″的干擾，因?yàn)橐淮蜗馎'與二次像A″亮度在同一數(shù)量級(jí)上，一次成像稍亮些，建議實(shí)驗(yàn)中將反射面確定為前表面，以正前方最亮的像為準(zhǔn)。而改用后鍍膜平面鏡的二次成像亮度明顯高于其他次成像，所以選用平面鏡探究平面鏡成像特點(diǎn)受到多次像的干擾要明顯小于平面玻璃。

誤區(qū)三：透過(guò)平面玻璃看到“物像重合” 物像重合法是教材中探究平面鏡成像特點(diǎn)的核心方法。而事實(shí)上，物像重合是一個(gè)偽命題。借助幾何畫板動(dòng)畫，如圖5所示，這一重合實(shí)際是讓鏡后物B透過(guò)玻璃兩次折射所成虛像B'與鏡前物A在平面玻璃上所成的虛像A'（或A″等）的重合，即折射虛像與反射虛像的重合，而此時(shí)物與像并未重合。所以利用物像重合法來(lái)確定虛像的位置存在系統(tǒng)誤差，另外把物體透過(guò)玻璃兩次折射后形成的虛像當(dāng)成物也不科學(xué)。

2 反思與改進(jìn)

兩點(diǎn)反思

1）初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要進(jìn)一步要重視觀察與測(cè)量。觀察和測(cè)量是物理研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本方法。探究平面鏡成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，師生常常會(huì)忙于驗(yàn)證猜想，疏于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的仔細(xì)觀察，以至于忽視了多個(gè)虛像存在的事實(shí)；再有物像到鏡面的距離以前反射面還是后反射面為宜，常常也沒(méi)有交代清楚，以至于測(cè)量出現(xiàn)不必要的誤差?？赡苁窍抻跁r(shí)間的限制、方法的局限以及解釋的復(fù)雜性，許多教師對(duì)以上問(wèn)題常常是或回避，或簡(jiǎn)單地一帶而過(guò)，沒(méi)有給予足夠的重視，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和優(yōu)化更是無(wú)從談起，因而實(shí)驗(yàn)探究的價(jià)值和嚴(yán)謹(jǐn)求是的態(tài)度并未在常態(tài)教學(xué)中真正落地生根。

2）初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要進(jìn)一步重視質(zhì)疑與創(chuàng)新。教師不能簡(jiǎn)單地把課本當(dāng)腳本，照本宣科，要善于多問(wèn)一個(gè)為什么，學(xué)生也一樣，否則實(shí)驗(yàn)探究就會(huì)演變成按部就班的流水線，了然無(wú)趣。書本選用平面玻璃固然有其道理，但是也并沒(méi)有明確排斥其他探究方法的可能，所以這并不能成為故步自封的理由。事實(shí)上，探究時(shí)經(jīng)常有學(xué)生會(huì)追問(wèn)和質(zhì)疑教師：為什么不可以用平面鏡呢？難道用平面鏡就不可以嗎？這樣的追問(wèn)與質(zhì)疑常常未能得到教師應(yīng)有的鼓勵(lì)和科學(xué)的指導(dǎo)，學(xué)生的質(zhì)疑精神與創(chuàng)新思維因而未能在探究中得到有效激發(fā)。

改進(jìn)建議 綜上所述，選用平面玻璃探究平面鏡成像特點(diǎn)也許并不是最好的選擇，看似回避了虛像位置與大小確定的難題，但是給實(shí)際實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更多的難題。為此，筆者建議不妨改用平面鏡進(jìn)行探究，首先這樣更契合探究的主題；其次也有適合的方法，如瞄準(zhǔn)法和拼接法，且簡(jiǎn)單易行；最后作為改進(jìn)建議，可以把傳統(tǒng)的后鍍膜平面鏡改為前鍍膜平面鏡。這一器材在淘寶上可以方便地獲取，而且可以定做，反射率高達(dá)97%，常用作投影的反射鏡。這樣做的目的是可以近乎徹底地消除多次成像的困惑，筆者在教學(xué)嘗試中取得很好的實(shí)驗(yàn)效果。

若堅(jiān)持選用平面玻璃做實(shí)驗(yàn)也未嘗不可，但有兩點(diǎn)建議：一是在教參中明確用平面鏡探究的可能與方法；二是建議教材進(jìn)一步明確選用薄款的玻璃，而非常見(jiàn)的較厚玻璃。這是因?yàn)楫?dāng)入射角較小時(shí)，可推導(dǎo)出點(diǎn)光源A所發(fā)射光線經(jīng)平面玻璃鏡上表面和下表面多次折射和反射后形成的多個(gè)虛像呈等間隔排列[6]，相鄰間隔為。其中，h為玻璃厚度，n0和n1分別為空氣與玻璃的相對(duì)折射率。

已知n0=1，n1=1.5，若玻璃厚度從3 mm減小至0.3 mm，則虛像相鄰間隔可減從4 mm顯著減少至0.27 mm；當(dāng)然適當(dāng)增加玻璃的折射率n1，也有利于這一間隔的進(jìn)一步減少，如圖6所示。與圖3對(duì)比可知，玻璃足夠薄時(shí)，多次成像的干擾幾乎可以忽略。同理不難證明，玻璃足夠薄時(shí)，圖5中的B'與B亦可近似重合。

目前網(wǎng)購(gòu)提供的超薄石英玻璃片厚度[7]可低至0.2 mm，完全可以用于實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。另外，為進(jìn)一步減少這一虛像間隔的相對(duì)影響，建議物體放置點(diǎn)距離玻璃可適當(dāng)遠(yuǎn)一些。

可見(jiàn)，隨著許多新工藝、新器材的不斷豐富，初中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與優(yōu)化呈現(xiàn)出越來(lái)越多的可能與空間，值得廣大師生深入探索與實(shí)踐。

3 總結(jié)與感悟

許多初中物理實(shí)驗(yàn)就像平面鏡成像探究一樣，看似很小、很簡(jiǎn)單，但仔細(xì)觀察、深入研究，常常會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)與收獲，事實(shí)上許多物理學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新也常常源自一些不起眼的小實(shí)驗(yàn)。所以初中階段物理教學(xué)一定要充分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能走過(guò)場(chǎng)，這既是物理研究的價(jià)值所在，也是學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)與綜合探究能力提升的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Johnson K. Physics for You[M].廖伯琴，譯.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2016：174.

[2]葉鵬松.能用平面鏡探究平面鏡的成像特點(diǎn)嗎？[J].物理教師，2007（10）：25.

[3]人眼立體視覺(jué)形成的原理及立體圖形獲得的方式[EB/OL].http：//blog.tianya.cn/post-4540253-47689337-1.shtml.

[4]齊澤維茨.Physics Principles and Problems[M].錢振華，等，譯.杭州：浙江教育出版社，2012：476.

[5]光的折射[EB/OL].http：//phet.colorado.edu/zh_CN/simulation/bending-light.

[6]劉梅榮.平面玻璃鏡成像的特點(diǎn)：對(duì)“平面鏡成像的拓展研究”一文的商榷[J].物理通報(bào)，2015（5）：103-104.

[7]DIY投影機(jī)專用前鍍膜3.5寸5.8寸7寸12寸反射鏡/原裝進(jìn)口玻璃鍍膜[EB/OL].https：//item.taobao.com/item.htm？spm=a230r.1.14.29.aZEPGC&id=26233460639&ns=1&abbucket=20#detail.