“探究平面镜成像时像与物的关系”实验的另一种设计

朱传华

(苏州高新区第三中学校，江苏 苏州 215163)

“探究平面镜成像时像与物的关系”实验是《义务教育物理课程标准(2011年版)》附录1中列出的20个学生必做的实验之一,目前教材中比较通行的实验设计是用单面镀膜的玻璃代替平面镜,利用镀膜玻璃既能成像又能透过玻璃看见后面物体的特点,用等效替代法来确定像的位置,探究平面镜成像时像与物的关系．

图1 像距误差分析

但笔者在实验中根据实验记录分析数据时始终无法得出“像到平面镜的距离与物体到平面镜的距离相等”的结论.以笔者使用的3 mm厚的镀膜玻璃为例,在实验中将镀膜面朝实验者自己(这样能减小操作误差[1]),像距始终比物距大1-1.5 mm左右．分析误差产生的原因,主要是因为确定物体A所成像的位置A′的方法为等效替代法,让镀膜玻璃后面与A形状大小相同的B看起来与A′重合,即将B的位置当成A′的位置,但实验者在A一侧看到的B并不是物体B本身,而是B经过玻璃折射后所成的像B′,实验者以为B与A′重合,其实是B′与A′重合,如图1,测量的像距BO比实际像距A′O要大.[1]这样的系统误差无法避免,自然不能得出“像到平面镜的距离与物体到平面镜的距离相等”的结论．根据教材知识的安排顺序,光的折射在平面镜成像之后,所以在实验中无法与学生分析这一系统误差,只能让学生在误差允许的范围内得出“像到平面镜的距离与物体到平面镜的距离相等”的结论．

为消除这一系统误差,笔者借鉴原方案中用等效替代法来确定像的位置的设计思路重新设计了一种实验方案,所不同的是改为在镜面板上开孔,透过镜面板上的孔槽直接看镜面后的B,使B看起来与物体A经平面镜所成的像A′重合,这样解决了B经玻璃折射后成像,看起来的位置B′与实际位置不重合的问题．具体方案如下.

1 实验器材

(1) 将成像的平面镜由教材中的镀膜玻璃换成定制的中间开槽的亚克力镜面板,具体尺寸如图2,阴影部分为开槽部分;

图2 镜面板设计图

(2) 其余器材借用实验室原实验器材“J2530平面镜成像实验器”．

2 实验过程

(1) 将一张白纸平放在水平桌面上,借助实验室原实验器材“J2530平面镜成像实验器”中两个带卡槽的棋子将中间开槽的亚克力镜面板竖直放在白纸上,并注意将电镀层反射面朝实验者一侧.

(2) 在镜面板前方放一个棋子A,通过开槽的镜面板,看到棋子部分成像在镜面板后,如图3.

图3

图4

(3) 在镜面板后放一个与A相同的棋子B,移动棋子B,使透过开槽部分看到的棋子B与A在镜面中所成的像重合,此时棋子B的位置就是棋子A所成像的位置,如图4.

(4) 在白纸上用铅笔画出镜面板反射面的位置和棋子A和B的位置,用刻度尺分别测出A、B到镜面的距离,其他操作与原实验设计相同．

3 实验方案评价

(1) 通过镜面板上开槽看镜面后面的棋子B,消除了原实验方案中透过玻璃看棋子B时因为光的折射现象使测出的像距偏大这一系统误差．

(2) 亚克力镜面板有双面镜和背胶镜等几种,背胶镜只有一面能够成像,且电镀层在背面,因而会如原来用镀膜玻璃实验时没有将镀膜一面朝实验者一样产生误差．所以经比较后笔者选择双面镜,双面镜是一面电镀两面都是镜面,因而其电镀层就在镜面板表面,实验时将电镀层一侧朝实验者,能减小玻璃厚度带来的操作误差．

(3) 实验中定制的开槽亚克力镜面板如厚度较薄,在加工过程中可能有些变形,对成像效果产生影响,故笔者在多次实验尝试比较后确定3 mm以上厚度可以较好的达到实验要求．

(4) 通过镜面板的孔槽看后面的棋子B与棋子A在镜面中所成的像重合在操作上有一定难度,可能会带来一定的操作误差．