“探究平面镜成像特点”实验的思考与改进

朱传华

(苏州高新区第三中学校,江苏 苏州 215163)

1 问题的提出

2011年版《义务教育物理课程标准》指出“科学探究学习方式是提高学生科学素养的一种重要而有效的途径”．[1]科学探究既是学生的学习目标,也是重要的教学方式,在教学过程中让学生经历科学探究的过程,可以让学生主动获取知识,领悟科学方法,发展科学探究能力．

《课程标准》附录1中列出了20个学生必做的实验,“探究平面镜成像时像与物的关系”实验就是其中之一．比较现行几个版本教材可以发现这个实验的设计几乎相同,如人教版、教科版、沪科版和苏科版等都是采用玻璃板(或单面镀膜的茶色玻璃板)代替平面镜,用两支相同的蜡烛(苏科版用棋子)进行实验．北师大版教材的实验设计过程较为开放,教材中没有给出明确的设计方案,而是让学生自己讨论制定计划、选择器材进行实验,在教师用书中给出的指导方案依然与其他版本教材相似．

笔者认为这种实验设计方案存在预设结论的痕迹,留给学生探究的空间不足．本实验要探究的问题是像的位置、大小跟物体的位置、大小有什么关系?猜想是像的位置在平面镜后面,像与物体大小相等,然后设计并进行实验．实验中只选择了两只大小相同的蜡烛A和B,利用蜡烛B与A的像重合来证明A的像和A大小相等,并由B的位置确定出A的像的位置．但其实学生的生活经验是物体离平面镜距离越远,所成的像越小,实际教学中就发现很多学生提出的猜想是“像与物体的大小不相等”．探究时因为这个实验设计中没有选择大小不同的物体,因而无法直接验证与A大小不同的物体能否与A的像重合,只能通过实验中A的像始终与B大小相等来间接否定．所以原设计方案虽然能最终得出结论,但因为实验过程中只预备了两个大小相同的蜡烛,并没有为大小不相等的可能性做好探究准备,让学生怀疑这都是教师预先设置好的实验结论,进行实验探究不过是在“演戏”,是走过场的“假探究”．为了消除学生的这种质疑,笔者在教学过程中对实验设计做了一点改进,增加了形状相似、大小不同的物体进行实验．

2 实验设计

2.1 提出问题

平面镜所成的像的位置、大小跟物体的位置、大小有什么关系?

2.2 猜想与假设

(1) 像的位置在平面镜________(上/前/后);

(2) 像到平面镜的距离与物体到平面镜的距离________(相等/不相等);

(3) 像和物体大小________(相等/不相等)．

2.3 设计实验

借鉴苏科版教材中引入课题的魔术“浇不灭的蜡烛”引导学生思考,如何确定像的位置?我们可以利用玻璃既能成像又能透光看到玻璃后面物体的特点,用玻璃(单面镀膜玻璃)代替平面镜完成实验．

2.4 器材准备

单面镀膜的茶色玻璃,固定玻璃板的支架,方格纸,铅笔,刻度尺,直角三角形彩色纸板两组(其中每组为形状相似、大小不同的三角形3个,上面印有“F”形标记,两组三角形中“F”的位置相同,开口方向相反,纸板固定在燕尾夹中,做成简易支架使三角形纸板可以竖直立在水平桌面上,如图1)．

2.5 进行实验

(1) 将方格纸放在水平桌面上,再将玻璃板用支架固定竖直放在方格纸上,先让学生自己探究出哪一面是镀膜的,将镀膜的一面朝实验者.[2]

(2) 将三角形纸板A1取出放在玻璃板前,纸板与玻璃板平行方向放置,有字母的一面朝向玻璃板,观察纸板在玻璃板中的像.

(3) 将纸板B3放在玻璃板的另一侧,手拿纸板B3在玻璃板后面移动,尝试使后面的纸板B3与A1的像重合,在移动过程中眼睛位置不动,会发现在某一位置时看起来纸板B3与A1的像能够重合,如图2(a)图,但换个角度看就不重合了,如图2(b)图,最终发现无论怎么移动纸板B3,都无法使其与A1的像完全重合.

图2 小纸板与大纸板的像“假重合”

(4) 保持A1位置不变,换用B2替代上一步的B3进行实验,现象与上一步相似.

(5) 保持A1位置不变,换用B1进行实验,发现移动到某一位置时纸板B1能够与A1的像完全重合,说明此时纸板B1的位置就是A1在平面镜中所成像的位置,且纸板B1的大小与A1的像大小相同.

(6) 用铅笔分别在方格纸上记下纸板A1和 B1上“F”的位置,并画出两纸板位置的连线,用刻度尺分别测出两个纸板到镜面(镀膜一侧)的距离.

(7) 将一张白色纸板竖直放在原来B1的位置处,不透过玻璃直接观察白色纸板,发现上面没有A1的像,说明平面镜所成的像是虚像.

(8) 比较纸板A1和B1的大小,发现大小相等,结合第(5)步,说明物体A1在平面镜中所成的像与A1大小相等.

(9) 将纸板A2与玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置处,重复上面的实验,确定像的位置,找到能与A2的像完全重合的纸板B2,比较B2与A2的大小,并用铅笔记录A2、B2上“F”的位置,画出像与物体的连线,用刻度尺分别测出两个纸板到镜面的距离.

(10) 将纸板A3与玻璃板平行放在玻璃板前面另一位置处,重复上述实验.

(11) 将三角形纸板A3取出放在玻璃板前,纸板与玻璃板垂直方向放置,移动后面的纸板B3,使B3与A3的像完全重合,现象如图3.

图3 纸板竖直方向与玻璃板垂直放置

(12) 将三角形纸板A3上的燕尾夹取下,将纸板A3平放在玻璃板前的方格纸上,同样将纸板B3的燕尾夹取下,平放在玻璃板后面的方格纸上,移动B3,尝试使B3与A3的像重合,现象如图4．

图4 纸板水平方向与玻璃板垂直放置

3 改进后的优点

3.1 器材简单易制

原实验设计中用蜡烛做物体,利用了蜡烛点燃后成的像较亮的优点,但在实验中蜡烛会越烧越短,从而出现后面不点燃的蜡烛无法与前面点燃的蜡烛的像重合的现象．本实验中用自制的直角三角形纸板,大小不变,且纸板和燕尾夹的组合简单易制．

3.2 便于发现结论

本实验中纸板没有用等腰

三角形,而用了左右不对称的直角三角形,且在每一对大小相等的纸板上印有开口方向相反的“F”形标记,实验中可以观察到两个纸板看起来重合时“F”看起来也能够重合,又在原来的实验设计基础上增加了将纸板与玻璃板垂直方向放置的两次探究过程．通过以上多次探究实验学生比较容易发现平面镜成像时像与物体是关于平面镜对称的,这样更便于总结平面镜成像的特点,还能为后面用对称法进行平面镜成像作图的教学打下基础．

3.3 消除学生质疑

提供多个纸板来探究与物体大小不同的纸板有没有可能与像重合,而不是只用大小相同纸板来验证,消除了学生认为教师在预设实验结论,进行“假探究”的质疑．也让猜想“像与物体大小不相等”的学生感觉自己的猜想没有被忽视,在实验过程中得到了验证的机会．在实验教学过程中,要引导学生根据提供的器材经小组讨论与尝试后逐步得出实验设计的方案,不要由教师直接给出．查阅资料发现有研究者提出可以用大小不同的铁球和橡皮泥球,如果现成的铁球和橡皮泥球都不能和像重合,学生可以通过切削和修补将橡皮泥现做成大小合适的球作为替代物,更多地体现探究思想．[3]这个方案也很巧妙,只是切削和修补橡皮泥球的过程需要的时间较长,且切削和修补橡皮泥球至与像重合的操作难度较大,不如本设计方案提供的大小不同的三角形纸板简单易行．

3.4 自然突破难点

实验中用与物体大小不同的纸板放在玻璃板后面进行探究时,如眼睛位置不动,能发现在某一位置处后面的纸板也能与像重合,但换个角度看就不重合了．在后面的实验中确定了像的位置后,会发现比物体小的纸板能在像的前面某处看起来与像重合,比物体大的纸板能在像的后面某处看起来与像重合．此时学生能够联想到平时看远处的物体会感觉变小的现象,进而理解物体离平面镜越远时看起来像就越小,并不是像真的变小了,只是人眼因远近不同的物体视角不同而产生的错觉,自然就突破了“物体离平面镜越远,所成的像越小”的错误前概念．