探究平面鏡成像的特點(diǎn)

黃繼奎

探究平面鏡成像的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)是新課標(biāo)要求的21個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，為提升同學(xué)們的科學(xué)探究素養(yǎng)及“知行合一、學(xué)以致用”的能力，下面通過四個(gè)維度加以突破。

[實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)]

1.實(shí)驗(yàn)原理：光的反射定律。（裝置如圖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，便于確定像的位置（平面鏡不能透光，無法確定像的位置）；（2）兩支完全相同的蠟燭可以比較物與像的大小關(guān)系；（3）刻度尺可以測量物距和像距；（4）光屏可以判定像的虛實(shí)，若光屏能承接到像，則為實(shí)像，反之為虛像。

3.實(shí)驗(yàn)方法：等效替代法（用兩根完全相同的蠟燭，其中一支蠟燭等效為另一支蠟燭的像）。

4.器材組裝：白紙對(duì)折后展開，平鋪在水平桌面上，將玻璃板豎直放置在白紙中間的折線上。點(diǎn)燃玻璃板前的蠟燭A，玻璃板后的蠟燭B不點(diǎn)燃。

5.實(shí)驗(yàn)操作的關(guān)鍵：（1）判斷像的大小和位置的方法：移動(dòng)玻璃板后的蠟燭B，使其與蠟燭A的像完全重合，蠟燭B的位置和大小就是蠟燭A的像的位置和大小。（2）收集數(shù)據(jù)的方法：在白紙上標(biāo)記蠟燭A和蠟燭B的位置，用刻度尺測量兩支蠟燭與玻璃板的距離，并比較兩組數(shù)值是否相等，連接兩支蠟燭的位置，判斷連線與玻璃板是否垂直。（3）多次實(shí)驗(yàn)的目的：使實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有普遍性。（4）數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)：記錄物距、像距、物像大小關(guān)系及多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

6.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：（1）本實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在較暗的環(huán)境中進(jìn)行，目的是使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯；（2）玻璃板要與水平桌面垂直放置，目的是確保物和像重合，否則玻璃板后的蠟燭無法與像完全重合；（3）點(diǎn)燃玻璃板前蠟燭，目的是使成像更清晰，玻璃板后蠟燭不點(diǎn)燃，替代鏡前蠟燭的像，這用到了等效替代法。

7.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：平面鏡成的是虛像，像與物關(guān)于平面鏡對(duì)稱。

[實(shí)驗(yàn)拓展]

1.選擇薄玻璃板的原因：由于玻璃板的前后表面均能反射成像，為了減小兩個(gè)像之間的干擾，玻璃板要盡量薄一些。

2.選擇方格紙代替白紙的優(yōu)點(diǎn)：可以更加直接地確定像和物的位置關(guān)系。

3.在光具座上做實(shí)驗(yàn)的好處：確保實(shí)驗(yàn)裝置都在同一水平直線上，使實(shí)驗(yàn)更易操作。

4.觀察像時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)幾乎重疊的像：這是玻璃板的兩個(gè)反射面分別成像造成的。

5.若玻璃板向點(diǎn)燃的蠟燭方向傾斜，則蠟燭的像在未點(diǎn)燃蠟燭的上方；若玻璃板向未點(diǎn)燃的蠟燭方向傾斜，則蠟燭的像在未點(diǎn)燃蠟燭的下方。

6.測得蠟燭和像到玻璃板的距離不相等的可能原因：玻璃板較厚；玻璃板與水平桌面不垂直；未點(diǎn)燃的蠟燭與點(diǎn)燃蠟燭的像沒有完全重合；測量長度時(shí)存在誤差。

7.對(duì)虛像的理解與觀察視角：人眼逆著反射光線看到的鏡后的像，是反射光線反向延長線的交點(diǎn)，沒有實(shí)際光線的會(huì)聚，是虛像，光屏不能承接。平面鏡成像是光的反射現(xiàn)象，在鏡前反射光線所在的區(qū)域可以觀察到物體的像，在鏡后無法觀察到物體的像，因?yàn)殓R后沒有反射光線進(jìn)入人眼。

[能力提升]

例1 （2023·湖南）如圖2甲所示是“探究平面鏡成像特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)的裝置，把一支點(diǎn)燃的蠟燭A放在玻璃板的前面，再拿另一支外形相同的蠟燭B豎立著在玻璃板后面移動(dòng)，直到蠟燭B看上去跟蠟燭A的像完全重合，在白紙上標(biāo)記A和B的位置。移動(dòng)蠟燭A，重復(fù)多次以上實(shí)驗(yàn)。

（1）選用玻璃板代替平面鏡，主要是為了_______ 。

（2）實(shí)驗(yàn)中兩支蠟燭要完全一樣，目的是為了_______ 。

（3）當(dāng)蠟燭A遠(yuǎn)離玻璃板時(shí)，它的像的大小將_______（選填“變大”“變小”或“不變”）。

（4）將蠟燭A豎直放在水平桌面上，點(diǎn)燃蠟燭觀察發(fā)現(xiàn)：玻璃板中蠟燭A的像偏低且傾斜。你認(rèn)為在圖2乙所示的①、②、③三幅圖中，_______ 圖是產(chǎn)生以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。

解析：（1）玻璃板既能透光也可成像，容易確定像的位置，而平面鏡不透光，無法確定像的位置，所以選用玻璃板代替平面鏡。

（2）選取兩支外形相同的蠟燭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目的是比較像與物的大小關(guān)系。

（3）物體與像始終大小相等，當(dāng)蠟燭A遠(yuǎn)離玻璃板時(shí)，它的像仍與A相等，像的大小不變。

（4）實(shí)驗(yàn)時(shí)平面鏡必須豎直放置，如果不豎直，不論怎樣移動(dòng)后面的蠟燭，它都不可能與前面蠟燭的像完全重合。圖2乙中，圖①平面鏡豎直放置，不會(huì)出現(xiàn)像偏低的情況，圖②和圖③平面鏡沒有豎直放置，分別作出蠟燭A關(guān)于平面鏡的對(duì)稱點(diǎn)A'，如圖3、圖4所示，發(fā)現(xiàn)圖4中蠟燭A的像偏低且傾斜，故③符合題意。

答案：（1）確定像的位置 （2）比較像與物的大小關(guān)系 （3）不變 （4）③

[綜合實(shí)踐]

例2 （2022·山東·濟(jì)寧）在校園科技節(jié)活動(dòng)中，小明觀看了隔著玻璃吹蠟燭的魔術(shù)。表演者介紹如圖5中的道具后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使玻璃板一側(cè)正對(duì)觀眾，分兩步完成了表演：①用兩個(gè)打火機(jī)同時(shí)“點(diǎn)燃”兩支蠟燭；②在玻璃板正對(duì)觀眾的一側(cè)吹A(chǔ)蠟燭。觀眾看到兩支蠟燭同時(shí)被“吹滅”。小明利用道具，和同學(xué)們一起探究其中的奧秘。

（1）小明用兩個(gè)打火機(jī)同時(shí)點(diǎn)燃兩支蠟燭，然后模仿表演者吹A(chǔ)蠟燭，結(jié)果只吹滅了A蠟燭。和同學(xué)討論后，大家一致認(rèn)為：表演者在表演中只點(diǎn)燃了A蠟燭，B蠟燭并未被點(diǎn)燃。隨后，小明通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他們的猜想，最終明白了其中的道理：B蠟燭并未被點(diǎn)燃，觀眾看到的是A蠟燭的燭焰通過玻璃板所成的_______。

（2）小明經(jīng)過進(jìn)一步探究，發(fā)現(xiàn)了確保表演成功的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

①兩支蠟燭的大小應(yīng)符合的要求是_______；

②玻璃板兩側(cè)的蠟燭，在放置位置上應(yīng)滿足的條件是_______。

解析：（1）魔術(shù)中的玻璃板相當(dāng)于平面鏡，觀眾看到的是A蠟燭的燭焰通過玻璃板所成的虛像。

（2）①平面鏡成像時(shí)，像和物體的大小相等，因此兩支蠟燭的大小應(yīng)相同。? ? ②平面鏡成像時(shí)，像和物體的連線垂直于鏡面，它們到鏡面的距離相等，因此玻璃板兩側(cè)的蠟燭，在放置位置上應(yīng)滿足的條件是到玻璃板的距離相等，且連線垂直于玻璃板。

答案：（1）虛像? ? （2）①大小相同? ? ②到玻璃板的距離相等，且連線垂直于玻璃板

（作者單位：山東省薛城區(qū)教學(xué)研究中心）