探究平面镜成像特点实验的误区与改进

薛海峰

摘 要 针对在初中物理“探究平面镜成像特点”实验中存在的三种常见误区，通过实验和计算分析误区产生的原因，并提出解决办法。

关键词 平面镜成像；初中物理；实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）23-0143-03

探究平面镜的成像特点是初中物理光学部分的基础实验，对学生理解、掌握和应用平面镜成像的特点，以及养成求实创新的实验素养有着重要作用。“通过实验，探究平面镜成像时像与物的关系。知道平面镜成像的特点及应用”，这是《全日制义务教育物理课程标准（2011版）》关于探究平面镜成像特点时的文字表述。具体通过何种实验探究，课标并没有明确。而现行初中物理多个版本，如人民教育出版社、上海科学技术出版社、江苏科技出版社出版的八年级物理教材，包括国外一些著名的物理教材[1]，在内容安排上都不约而同地选用了平面玻璃来替代平面镜进行实验探究。笔者以為这样设计的主要用意是方便学生确定虚像的位置与比较像物的大小，但是也容易给实际教学带来探究和认知上的误区。

1 误区与分析

误区一：用平面镜无法确定虚像的位置或比较像物的大小 对于为什么没有选用平面镜来探究平面镜的成像特点，各版本教材编排过程中皆未做充分说明，教参中也未提供必要的参考，以至于许多教师误以为：平面镜不透光，用它就无法确定虚像的位置或比较像物的大小，所以不能直接用于探究平面镜的成像特点，只能改用平面玻璃。在许多公开课和习题指导中常常可以看到这样的错误。事实上，用平面镜探究平面镜成像特点是完全可行的，主要有以下两种方法[2]。

方法一：瞄准法。如图1（a）和（b）所示，主要是通过直刻度尺，沿平面镜前直立铅笔两侧瞄准镜后虚像，并画出相应的延长线，从而确定虚像的位置。

方法二：拼结法。如图2所示，另取一支同样的铅笔，放于平面镜后，并前后左右调节其位置，同时对着平面镜观察，当发现镜后这支铅笔的上部（实物）与镜前铅笔的下部在镜中所成的虚像正好重合，且不随视线左右调节而改变时，标记出它的位置，即确定了虚像的位置。其实这也同步确定了像与物的大小关系。

以上两种方法简单易行，且更贴近探究的主题，尤其是第一种瞄准法，实际上还隐含了空间定位与视觉立体感形成的基本原理[3]。实际探究中两种方法可以相互组合，先用瞄准法定位虚像的位置，再用拼接法进一步验证虚像的位置与大小。此外，在国外教材[4]中还看到过一种用照相机对焦环来测定虚像位置的方法，同样简单可行，值得一试。

误区二：透过平面玻璃或平面镜只看到一个像 事实上，由于平面玻璃和平面镜前后表面的多次反射、折射，理论上讲可以形成无数个虚像，实际探究中仔细观察，也常能看到两三个甚至更多的较为清晰的像，具体看到像的多少取决于环境亮度、器材反射率、光的照射与观察角度等诸多因素。为了动态展示虚像的位置及变化，笔者设计了一个几何画板动画，可动态调整远近、厚度、角度等各关键变量。为便于分析，图3中仅显示了3个虚像。

但虚像的亮度是各不相同的。解释如下：设空气的相对折射率为1，玻璃的相对折射率为1.5，入射光的相对强度为1；为简化分析计算，讨论仅限于10°以内的小角度入射情况，根据菲涅尔定律，可计算得空气与玻璃的分界面上光的反射率约为4%，透射率为96%；当折射光以更小的角度入射后表面时，反射率和透射率仍为4%和96%左右。这一过程也可参看科罗拉多大学PhET网站提供的Java动画[5]动态计算，材料与折射率可调控，如图4所示。

若是后表面镀银的平面镜，则反射率可达85%左右。为简化计算，不考虑分界面上光的能量损耗。由表1中数据可知，用平面玻璃探究平面镜成像时，容易受到二次像A″的干扰，因为一次像A'与二次像A″亮度在同一数量级上，一次成像稍亮些，建议实验中将反射面确定为前表面，以正前方最亮的像为准。而改用后镀膜平面镜的二次成像亮度明显高于其他次成像，所以选用平面镜探究平面镜成像特点受到多次像的干扰要明显小于平面玻璃。

误区三：透过平面玻璃看到“物像重合” 物像重合法是教材中探究平面镜成像特点的核心方法。而事实上，物像重合是一个伪命题。借助几何画板动画，如图5所示，这一重合实际是让镜后物B透过玻璃两次折射所成虚像B'与镜前物A在平面玻璃上所成的虚像A'（或A″等）的重合，即折射虚像与反射虚像的重合，而此时物与像并未重合。所以利用物像重合法来确定虚像的位置存在系统误差，另外把物体透过玻璃两次折射后形成的虚像当成物也不科学。

2 反思与改进

两点反思

1）初中物理实验教学要进一步要重视观察与测量。观察和测量是物理研究与实验教学的基本方法。探究平面镜成像实验时，师生常常会忙于验证猜想，疏于对实验现象的仔细观察，以至于忽视了多个虚像存在的事实；再有物像到镜面的距离以前反射面还是后反射面为宜，常常也没有交代清楚，以至于测量出现不必要的误差。可能是限于时间的限制、方法的局限以及解释的复杂性，许多教师对以上问题常常是或回避，或简单地一带而过，没有给予足够的重视，实验的改进和优化更是无从谈起，因而实验探究的价值和严谨求是的态度并未在常态教学中真正落地生根。

2）初中物理实验教学要进一步重视质疑与创新。教师不能简单地把课本当脚本，照本宣科，要善于多问一个为什么，学生也一样，否则实验探究就会演变成按部就班的流水线，了然无趣。书本选用平面玻璃固然有其道理，但是也并没有明确排斥其他探究方法的可能，所以这并不能成为故步自封的理由。事实上，探究时经常有学生会追问和质疑教师：为什么不可以用平面镜呢？难道用平面镜就不可以吗？这样的追问与质疑常常未能得到教师应有的鼓励和科学的指导，学生的质疑精神与创新思维因而未能在探究中得到有效激发。

改进建议 综上所述，选用平面玻璃探究平面镜成像特点也许并不是最好的选择，看似回避了虚像位置与大小确定的难题，但是给实际实验带来更多的难题。为此，笔者建议不妨改用平面镜进行探究，首先这样更契合探究的主题；其次也有适合的方法，如瞄准法和拼接法，且简单易行；最后作为改进建议，可以把传统的后镀膜平面镜改为前镀膜平面镜。这一器材在淘宝上可以方便地获取，而且可以定做，反射率高达97%，常用作投影的反射镜。这样做的目的是可以近乎彻底地消除多次成像的困惑，笔者在教学尝试中取得很好的实验效果。

若堅持选用平面玻璃做实验也未尝不可，但有两点建议：一是在教参中明确用平面镜探究的可能与方法；二是建议教材进一步明确选用薄款的玻璃，而非常见的较厚玻璃。这是因为当入射角较小时，可推导出点光源A所发射光线经平面玻璃镜上表面和下表面多次折射和反射后形成的多个虚像呈等间隔排列[6]，相邻间隔为。其中，h为玻璃厚度，n0和n1分别为空气与玻璃的相对折射率。

已知n0=1，n1=1.5，若玻璃厚度从3 mm减小至0.3 mm，则虚像相邻间隔可减从4 mm显著减少至0.27 mm；当然适当增加玻璃的折射率n1，也有利于这一间隔的进一步减少，如图6所示。与图3对比可知，玻璃足够薄时，多次成像的干扰几乎可以忽略。同理不难证明，玻璃足够薄时，图5中的B'与B亦可近似重合。

目前网购提供的超薄石英玻璃片厚度[7]可低至0.2 mm，完全可以用于实验优化。另外，为进一步减少这一虚像间隔的相对影响，建议物体放置点距离玻璃可适当远一些。

可见，随着许多新工艺、新器材的不断丰富，初中物理传统实验的改进与优化呈现出越来越多的可能与空间，值得广大师生深入探索与实践。

3 总结与感悟

许多初中物理实验就像平面镜成像探究一样，看似很小、很简单，但仔细观察、深入研究，常常会有意想不到的发现与收获，事实上许多物理学的伟大发现与创新也常常源自一些不起眼的小实验。所以初中阶段物理教学一定要充分重视实验教学，不能走过场，这既是物理研究的价值所在，也是学生创新思维培养与综合探究能力提升的基础。

参考文献

[1]Johnson K. Physics for You[M].廖伯琴，译.上海：上海科学技术出版社，2016：174.

[2]叶鹏松.能用平面镜探究平面镜的成像特点吗？[J].物理教师，2007（10）：25.

[3]人眼立体视觉形成的原理及立体图形获得的方式[EB/OL].http：//blog.tianya.cn/post-4540253-47689337-1.shtml.

[4]齐泽维茨.Physics Principles and Problems[M].钱振华，等，译.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]刘梅荣.平面玻璃镜成像的特点：对“平面镜成像的拓展研究”一文的商榷[J].物理通报，2015（5）：103-104.

[7]DIY投影机专用前镀膜3.5寸5.8寸7寸12寸反射镜/原装进口玻璃镀膜[EB/OL].https：//item.taobao.com/item.htm？spm=a230r.1.14.29.aZEPGC&id=26233460639&ns=1&abbucket=20#detail.