張 燕

浙江省衢州市衢江錦繡中學(324000)

“探究平面鏡成像特點”是初中科學光學重要實驗之一,對學生理解和應用平面鏡成像規(guī)律,養(yǎng)成求實創(chuàng)新的科學態(tài)度有著重要作用。綜合對比各版本教材對平面鏡成像實驗的編寫發(fā)現(xiàn),由于平面鏡成的是虛像,不能用光屏接收,所以現(xiàn)有各版本初中教材都用“玻璃”代替“平面鏡”,利用平板玻璃既能反射又能透光的性能,通過“替代”的思想,讓物與像重合從而便于確定像的位置,比較像與物的大小關系[1]。

在浙教版教材中，該內容被安排在7年級下冊第2章第5節(jié)“光的反射和折射”中，對該內容采取的教學流程一般是通過驗證性實驗，對實驗數據進行分析，使學生知道物與像的位置關系、物與像的大小關系，總結平面鏡成像規(guī)律，最后利用習題來檢驗和強化學生對該內容的識記與理解。

對7年級學生而言,實驗操作本身沒有難度,難在理解實驗設計中為何要用到2支相同的蠟燭、用薄玻璃板替代鏡子和玻璃板要豎立在水平面上。顯然,教材中簡單的實驗設計、授課教師普遍采用的驗證性實驗、平面鏡成像規(guī)律的識記都不能真正幫助學生深度理解該內容。

1 實驗的不足

雖然教材安排的實驗簡單易操作,但由于實驗設計和實驗器材本身的局限性,實驗效果并不理想,尤其不能實現(xiàn)指向理解的教與學,學生甚至不理解為什么要用薄玻璃板代替平面鏡做實驗。在實際教學中,存在一些不足,主要表現(xiàn)在以下幾方面:

教材原實驗如圖1(浙教版)[2]和圖2(華師大版)[3]所示,利用垂直立在桌面上的一塊薄而大的玻璃和蠟燭(棋子)來完成實驗。要想讓玻璃垂直立在水平桌面上有難度,玻璃容易傾倒、打碎,存在安全性問題。

圖1 浙教版教材實驗圖示

圖2 華師大版教材實驗圖示

從實用性和安全性角度考慮,實際授課時教師往往選擇圖3器材替代教材實驗使用的器材。但是從多年使用下來的情況看,該裝置不能很好地進行探究性實驗,而是停留在驗證性實驗的水平上,不利于培養(yǎng)學生的高階思維。

僅僅完成教材實驗,不能幫助學生建構解決實際問題的物理模型,學生在解決實際問題時存在疑惑,如:小鏡子為什么能成大像、破鏡子為什么能成完整的像、鏡子動了為什么像不動、公交車前擋風玻璃為什么要傾斜安裝等。

圖3 學生實驗器材

2 實驗改進

2.1 實驗改進所需器材

刻度尺、薄玻璃板、厚玻璃板、平面鏡、蠟燭、火柴、水平儀或重錘線、光屏、白鐵皮、磁鐵、臨摹紙(格子紙或坐標紙)等。

制作如圖4改進教具:

(1)教具水平面上鋪白鐵皮;蠟燭底部嵌入磁體,方便蠟燭在裝置上隨意移動;

圖4 探究平面鏡成像規(guī)律改進教具

(2)能隨意調節(jié)傾斜角度的活動支架上插入鏡子或不同厚度的玻璃;

(3)在教具一側裝上水平儀或重錘線,可判斷支架與水平面是否垂直;

(4)在白鐵皮上貼上刻度尺,可以直接讀出物距和像距,方便研究像與物體到平面鏡的距離相等;也可以用格子紙或坐標紙?zhí)娲?省略用刻度尺的測量物距和像距步驟[4]。

2.2 實驗方法

(1)在實驗裝置中插入平面鏡,將一支點燃的蠟燭放在平面鏡前,看到平面鏡中有蠟燭的像,但是這個像在什么位置呢?拿另一支沒有點燃的蠟燭放在平面鏡后,無法觀察到該蠟燭。因此我們要換一個“透明的鏡子”,那就是玻璃板——既能反射又能透光。

(2)換上厚度為8 mm的厚玻璃板后,仔細觀察會發(fā)現(xiàn)玻璃中有兩個像,為什么呢?學生猜測可能是玻璃板太厚了,取出厚玻璃板,換上厚度為2 mm的薄玻璃板,觀察到薄玻璃中只有一個像。

(3)換上薄玻璃板后,發(fā)現(xiàn)像的位置偏高(見圖5)或偏低(見圖6),物與像不能重合。學生仔細觀察水平儀或重錘線,發(fā)現(xiàn)玻璃板沒有與水平面垂直。利用水平儀或重錘線調節(jié)玻璃板與水平面垂直,再次進行實驗,物與像完全重合,確定像的位置,從刻度尺中讀出物距、像距或在格子紙上描點標注物與像的位置。分析現(xiàn)象和數據,可以得出平面鏡所成像的大小與物體的大小相等,像與物到平面鏡的距離相等。

圖5 像的位置偏高

圖6 像的位置偏低

(4)那為什么厚玻璃會成兩個像呢?很多學生認為另外一個像是光的折射產生的。如圖7所示,可以用光屏來驗證學生猜想。實驗證明,玻璃后面的兩個像都不能在光屏上呈現(xiàn),是虛像[5]。該像不是光的折射產生的(光的折射在界面的異側形成實像,同側才形成虛像),而是反射形成。如圖8所示,教師引導學生利用直徑為2 mm的生日蠟燭設計實驗。通過實驗測出兩個像距,分析數據,學生就能發(fā)現(xiàn)像距之差恰好是玻璃的厚度。由此證明,光線在玻璃前后兩個面上發(fā)生反射,產生了兩個像。所以玻璃越薄,兩個像重合度越高,進一步理解教材上為什么強調用“薄”玻璃替代鏡子。

圖7 用光屏來驗證學生猜想

圖8 用生日蠟燭設計實驗

(5)如果玻璃有裂縫,所成像會不會有裂縫呢?學生可以利用“破”的玻璃(如圖9所示,將兩塊小玻璃裝在抽桿文件夾的抽桿中,中間留空)成像,可以解釋生活中“玻璃破、像不破”的實際問題,加深學生對平面鏡成像的理解。還可以將一塊小玻璃抽出,調整另外一塊玻璃位置,演示半塊玻璃也能成蠟燭的全像。幫助學生解釋家里穿衣鏡沒有人高,卻能成全身像的問題。還能引導學生思考:至少多大的鏡子可以照全身像?也可以讓玻璃左右分離,或者挪動半塊玻璃,發(fā)現(xiàn)完整的像還在原來位置上,引導學生思考為什么?當學生真正理解平面鏡成像原理,就能解釋“像”不隨“鏡子”動的原因了,碰到相關習題的時候就能迎刃而解。

圖9 “破”玻璃成像實驗

(6)知網中有很多論文都提到用“F”型LED燈替換蠟燭來研究鏡像(像與物左右相反)問題。其實只要沿平行于平面鏡方向吹動燭焰,觀察像的運動方向,即可說明平面鏡所成的像是左右相反的。

3 改進后的優(yōu)點

(1)實驗操作簡單方便,實驗效果明顯,關鍵通過一步一步的實驗,引導學生思考得出用玻璃板可以確定像的位置。

(2)確定像的位置之后便于比較像與物的大小關系,直接通過刻度尺讀數或在格子紙數格子的方法便得出像與物到平面鏡的距離相等的結果。

(3)能夠用這個實驗裝置再現(xiàn)生活中平面鏡成像的現(xiàn)象,如猴子撈月為什么撈不到、汽車前擋玻璃為什么是傾斜的、鏡破像不破、鏡子動像不動、小鏡子照出大物體等。