师:同学们,大家好。今天我们学习平面镜成像。2008 年 9 月 27 日,翟志刚顺利完成中国人首次太空行走。出舱时,他身穿我国自主研发的舱外航天服“飞天”。有趣的是,航天服的手臂处安装了一面小镜子,它的作用是什么呢?希望学完今天这堂课,同学们能找到答案。
生活中,我们常常看到平面镜成像。比如小猫照镜子时,能在镜子里看到另一只“小猫”,这只镜子里的“小猫”就是它的像。又如夜空中平静的水面上,广州塔“小蛮腰”与它的倒影相映成趣,这个倒影就是它的像。在光滑的玻璃窗上、平滑的地板上,我们也能看到物体成像。
人们对平面镜成像有着直观的认识,例如觉得物近像更近,物远像更远。但这些判断是否正确牵涉到长度的测量,必须通过实验严谨验证。接下来我们进行实验探究,探究两个问题:一、像与物体的大小有什么关系?二、像与物体在位置上有什么关系?
我们使用的仪器包括:一块薄玻璃板、用来支撑玻璃板的支架、两根形状完全相同的电子蜡烛、一张白纸、一支马克笔、一块三角板、一把刻度尺。
在水平台面上铺一张白纸,将薄玻璃板固定在支架上,使它与水平台面垂直。用马克笔顺着薄玻璃板画一条直线,代表它的位置。把一支点亮的电子蜡烛 a 放在玻璃板的前方,能看到它在玻璃板后方形成的像。拿另一支外形相同但不点亮的电子蜡烛 b 竖立在玻璃板后方,调整它的位置,直到看上去它跟像完全重合。在纸上用笔记录下两根蜡烛的位置。改变电子蜡烛 a 的位置,再移动电子蜡烛 b,重复以上步骤。
接下来处理实验数据。把白纸单独拿出来,上面有三组代表电子蜡烛 a 和电子蜡烛 b 位置的点,用直线把它们依次连起来。此时要注意,电子蜡烛 b 代表的是玻璃板中像的位置。
从三组实验数据中,我们先观察像与物的连线与代表平面镜的直线在位置上有什么关系。通过测量角度可以发现,它们相互垂直。接下来用刻度尺分别测量像和物体到平面镜的距离,把三组实验的数据分别记录下来,在考虑误差的情况下对每组数据进行分析。我们发现,当物体到平面镜的距离变大时,像到平面镜的距离也同时变大,更准确地说,像距始终与物距相等。
同时,我们运用等效替代法,选用外形相同的两根电子蜡烛 a 和 b,后方的电子蜡烛 b 始终能与像重合,说明像与它形状相同,进而证明像与电子蜡烛 a 的形状相同,也就是说平面镜所成的像与物体等大。
根据多次实验,我们归纳总结出平面镜成像的特点:平面镜所成的像大小与物体大小相等,像与物体到平面镜的距离相等,像与物体的连线与平面镜垂直。换句话说,沿着平面镜对折,像和物体能完全重合。从数学角度说,归纳为一句话:平面镜所成的像与物体关于镜面对称。
为什么选择在较暗的环境进行实验呢?目的是为了让物体的亮度和环境对比更强烈,减少周围光线的干扰,使成像更清晰。同样,只点燃前方的一根蜡烛,是因为如果两根电子蜡烛都发光,那么从点燃的那一面看去,会看到对面的电子蜡烛上有两组烛焰,对实验的准确性造成干扰,所以不能同时点燃。
将点燃的蜡烛放在玻璃板前,可以看到玻璃板中出现另一根“蜡烛”。用手碰玻璃后方“蜡烛”跳动的烛焰,没有感觉到被烧灼。拿出一张白纸,把它放到平面镜中“蜡烛”所在的位置,白纸没有被点燃,上面一片空白,没有光斑。有光进入眼睛,人们才能看到物体。在实验中玻璃后方没有真正的蜡烛,人眼却能看到烛焰跳动,为什么会有这种现象呢?
