光的衍射教學設計

1、光的衍射教學設計光的衍射 - 重慶第二外國語學校劉海軍在中學物理教學中，將所學知識應用到實際生活中去，有利于幫助學生加深對物理知識的理解，有利于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，有利于提高學生進一步學習物理知識的興趣。筆者在“光的衍射”一節(jié)教學中進行了嘗試，收到了良好的教學效果。一、 -現(xiàn)行人教版高中物理教材中，對“光的衍射”一節(jié)的處理是基于單縫衍射和圓孔衍射兩個實驗，而且以此說明光發(fā)生明顯衍射的條件和現(xiàn)象。在教學過程中，通過在教材中兩個實驗的基礎上進行延伸、拓展，引導學生對比分析發(fā)現(xiàn)：光通過不同形狀的障礙物發(fā)生衍射時，其衍射圖樣不一樣。再進一步演示和觀察光通過正三角形孔、正方形孔、正多邊形孔的衍射

2、現(xiàn)象加以驗證，并介紹光的衍射在現(xiàn)代技術上的應用，如 X 射線通過晶體發(fā)生晶格衍射。反過來，用對應的衍射圖樣來推測晶體的微觀結構。讓學生分析為什么光學顯微鏡放大倍數(shù)受到限制，以及對光在介質(zhì)中沿直線傳播規(guī)律進一步再認識，使學生對光的衍射現(xiàn)象的認識得到升華。二、實驗器材及操作光源選用激光筆，縫和孔的具體制作過程簡述如下：用刀片、縫衣針等工具在不透光的塑料卡片 （如電話卡）上，分別刻制出不同寬度的縫和不同大小、不同形狀的孔。如圖 1 所示卡片上制作寬度約為2mm的縫 a 和寬度約為 05mm的縫 b；如圖 2 所示卡片上制作直徑約為 2mm的圓孔 c 和直徑約為 1mm的圓孔 d；如圖 3 所示卡片上

3、制作線度都約為 1mm 的正三角形孔 e、正方形體正多邊形孔 g。演示時，把有孔或縫的卡片固定在支架上作為擋板，在相距 1m 左右的位置，把激光筆光源照射到縫或孔上，在光屏（可以把白色墻壁作為光屏）上可看到相應的衍射現(xiàn)象，實驗裝置如圖4 所示。三、教學過程1提出問題師問：衍射是波所特有的現(xiàn)象，既然光也是一種波，為什么在日常生活中沒有觀察到光的衍射現(xiàn)象？學生討論。2分析問題師問：衍射是波繞過障礙物傳播的現(xiàn)象。波要發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象（也即人們?nèi)庋勰苤苯佑^察到波的衍射現(xiàn)象）必須滿足什么條件？生答：波要發(fā)生明顯衍射，必須滿足一定的條件：只有障礙物或縫的尺寸跟波長差不多，或者比光的波長更小時，才能觀察到

4、明顯的衍射現(xiàn)象。師問：怎樣才能觀察到光的衍射現(xiàn)象呢？生答：光的波長很短，而可見光的波長實際上只有十分之幾微米，一般物體的尺寸都比它大得多，因此，很難看到光的衍射現(xiàn)象。但是若障礙物或縫的尺寸很小，與光波波長差不多時，就應該觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。3實驗驗證實驗一：如圖 4 所示裝置，把激光筆發(fā)出的激光分別照在單縫 b、 d 上，觀察屏上的圖樣。現(xiàn)象及分析：當激光照在寬縫a 上時，光沿著直線方向通過縫，在屏上產(chǎn)生一條跟縫的寬度相當?shù)牧辆€；當激光照在窄縫 b 上時，光通過縫后就明顯地偏離了直線傳播方向照到了屏上相當寬的地方，并且出現(xiàn)了明暗相間的條紋，如圖5 所示，這就是光的衍射現(xiàn)象。實驗二：在上述實驗

5、中，把擋板換成圖2 所示卡片，把激光筆發(fā)出的激光分別照在圓孔c、d 上，觀察屏上的圖樣。現(xiàn)象和分析：當激光照在直徑較大的孔c 上時，在屏上得到一個圓形亮斑，圓的大小跟按光沿直線傳播規(guī)律作圖得到的一樣。當激光照在直徑較小的孔d 上時，屏上得到一些明暗相間的圓環(huán)，這些圓環(huán)達到的范圍遠遠超過了光沿直線傳播所對應照明的區(qū)域，如圖6 所示。小結：上述兩個實驗說明：當縫或孔較大（比光波波長大得多）時，衍射現(xiàn)象不明顯（肉眼很難直接觀察到）；當縫或孔很?。ㄅc光波波長接近或比光波波長更?。r，衍射現(xiàn)象十分明顯。4知識延伸師問：同學們，試比較上面單縫衍射和圓孔衍射圖樣，有那些相同點，又有哪些不同點？生答：相同點都

6、是明暗相間的條紋。不同點是圓孔衍射條紋為圓環(huán)形狀，而單縫衍射條紋是直線形狀。師問：通過比較，說明衍射圖樣的形狀與什么有關？生答：衍射圖樣的形狀與障礙物的形狀有關。師問：如果用其他形狀的孔，發(fā)生衍射時得到的衍射圖樣又怎樣呢？實驗：在圖 4 所示裝置中，把擋板換成如圖3 所示卡片，依次演示激光通過正三角形孔 e、正方形孔發(fā)生的衍射現(xiàn)象，其衍射圖樣分別為如圖f 、正多邊形孔7、 8、 9 所示。g師問：通過比較、分析衍射圖樣與障礙物的形狀，這些實驗進一步說明了衍射圖樣與光通過的小孔的形狀有關的結論，得出這一結論有什么作用呢？學生討論。師問：能不能通過衍射圖樣，反過來推知小孔形狀（或障礙物的結構）呢？

7、生答：由實驗可知， 衍射圖樣和孔的形狀是一一對應的，因此，由衍射圖樣可以推知小孔的形狀。5實際應用師介紹：在現(xiàn)代應用光學分析技術中，科學家根據(jù)衍射圖樣與障礙物的結構間一一對應的關系，利用X 射線穿過晶體后發(fā)生晶格衍射時，不同的晶體產(chǎn)生不同的衍射圖樣，仔細分析得到的衍射圖樣，從而推理得出組成晶體的原子是如何排列的。師問：同學們想一想，為什么要利用X 射線呢？生答：一方面 X 射線穿透能力強，另一方面其波長與晶體分子大小差不多，因此， X 射線通過晶體時能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，從而得到清晰的衍射圖樣。師介紹 DNA的雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)過程：弗蘭克林這位具有非凡才能的物理化學家，成功地拍攝了不同溫度下

8、 DNA晶體的 X 射線衍射照片，如圖 10 所示，把這些各種局部的結構形狀匯總。DNA 的衍射圖片越來越清晰，越來越全面。此時，沃森和克里克也在劍橋大學進行 DNA結構的形究，他們看了那張照片后，很快就領悟到了DNA的結構兩條以磷酸為骨架的鏈相互纏繞形成了雙螺旋結構，氫鍵把它們聯(lián)結在一起。因此他們獲得了諾貝爾獎。X 射線衍射在納米技術的研究中也起著非常重要的作用師問：用光學顯微鏡觀察微小物體時，發(fā)現(xiàn)顯微鏡放大倍數(shù)是要受到限制的，這是為什么呢？學生討論。生答：當被觀察的微小物體尺寸與可見光的波長差不多時，就會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，這樣就得不到清晰的像。因此，光學顯微鏡放大倍數(shù)受到了限制。師問：光的衍射現(xiàn)象說明光沿曲線傳播，這不是與前面學到的“光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”矛盾嗎？學生討論。生答：不矛盾，使我們更清楚地認識了光的傳播規(guī)律：一方面，光在沒有障礙物的均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的；另一方面，在障礙物的尺寸比光的波長大得多的情況下，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以認為光是沿直線傳播的。但是，在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時不能說光沿直線傳播了。四、教學后記通過對光經(jīng)過各種形狀的孔產(chǎn)生的衍射圖樣的觀察，一方面培養(yǎng)了學生觀察實驗現(xiàn)象的能力，另一方面這些各種形狀的衍射圖樣給學生以美的感受，讓他們體會到了物理知識的奇、趣、美。對孔