光的衍射教學(xué)設(shè)計(jì)

1、光的衍射教學(xué)設(shè)計(jì)光的衍射 - 重慶第二外國語學(xué)校劉海軍在中學(xué)物理教學(xué)中，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中去，有利于幫助學(xué)生加深對(duì)物理知識(shí)的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，有利于提高學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣。筆者在“光的衍射”一節(jié)教學(xué)中進(jìn)行了嘗試，收到了良好的教學(xué)效果。一、 -現(xiàn)行人教版高中物理教材中，對(duì)“光的衍射”一節(jié)的處理是基于單縫衍射和圓孔衍射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，而且以此說明光發(fā)生明顯衍射的條件和現(xiàn)象。在教學(xué)過程中，通過在教材中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸、拓展，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：光通過不同形狀的障礙物發(fā)生衍射時(shí)，其衍射圖樣不一樣。再進(jìn)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(yàn)證，并介紹光的衍射在現(xiàn)代技術(shù)上的應(yīng)用，如 X 射線通過晶體發(fā)生晶格衍射。反過來，用對(duì)應(yīng)的衍射圖樣來推測(cè)晶體的微觀結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生分析為什么光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)受到限制，以及對(duì)光在介質(zhì)中沿直線傳播規(guī)律進(jìn)一步再認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)光的衍射現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)得到升華。二、實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(yīng)的衍射現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。三、教學(xué)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(xué)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(shí)，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(shí)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(shí)，就應(yīng)該觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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?，F(xiàn)象及分析：當(dāng)激光照在寬縫a 上時(shí)，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(dāng)?shù)牧辆€；當(dāng)激光照在窄縫 b 上時(shí)，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(dāng)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(shí)驗(yàn)二：在上述實(shí)驗(yàn)

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(dāng)激光照在直徑較大的孔c 上時(shí)，在屏上得到一個(gè)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(dāng)激光照在直徑較小的孔d 上時(shí)，屏上得到一些明暗相間的圓環(huán)，這些圓環(huán)達(dá)到的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光沿直線傳播所對(duì)應(yīng)照明的區(qū)域，如圖6 所示。小結(jié)：上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明：當(dāng)縫或孔較大（比光波波長大得多）時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯（肉眼很難直接觀察到）；當(dāng)縫或孔很小（與光波波長接近或比光波波長更?。r(shí)，衍射現(xiàn)象十分明顯。4知識(shí)延伸師問：同學(xué)們，試比較上面單縫衍射和圓孔衍射圖樣，有那些相同點(diǎn)，又有哪些不同點(diǎn)？生答：相同點(diǎn)都

6、是明暗相間的條紋。不同點(diǎn)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(guān)？生答：衍射圖樣的形狀與障礙物的形狀有關(guān)。師問：如果用其他形狀的孔，發(fā)生衍射時(shí)得到的衍射圖樣又怎樣呢？實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明了衍射圖樣與光通過的小孔的形狀有關(guān)的結(jié)論，得出這一結(jié)論有什么作用呢？學(xué)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(jié)構(gòu)）呢？

7、生答：由實(shí)驗(yàn)可知， 衍射圖樣和孔的形狀是一一對(duì)應(yīng)的，因此，由衍射圖樣可以推知小孔的形狀。5實(shí)際應(yīng)用師介紹：在現(xiàn)代應(yīng)用光學(xué)分析技術(shù)中，科學(xué)家根據(jù)衍射圖樣與障礙物的結(jié)構(gòu)間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用X 射線穿過晶體后發(fā)生晶格衍射時(shí)，不同的晶體產(chǎn)生不同的衍射圖樣，仔細(xì)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(xué)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(qiáng)，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(shí)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(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程：弗蘭克林這位具有非凡才能的物理化學(xué)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(jié)構(gòu)形狀匯總。DNA 的衍射圖片越來越清晰，越來越全面。此時(shí)，沃森和克里克也在劍橋大學(xué)進(jìn)行 DNA結(jié)構(gòu)的形究，他們看了那張照片后，很快就領(lǐng)悟到了DNA的結(jié)構(gòu)兩條以磷酸為骨架的鏈相互纏繞形成了雙螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵把它們聯(lián)結(jié)在一起。因此他們獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。X 射線衍射在納米技術(shù)的研究中也起著非常重要的作用 師問：用光學(xué)顯微鏡觀察微小物體時(shí)，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(xué)生討論。生答：當(dāng)被觀察的微小物體尺寸與可見光的波長差不多時(shí)，就會(huì)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(xué)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(xué)到的“光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”矛盾嗎？學(xué)生討論。生答：不矛盾，使我們更清楚地認(rèn)識(shí)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(rèn)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(shí)候，衍射現(xiàn)象十分明顯，這時(shí)不能說光沿直線傳播了。四、教學(xué)后記通過對(duì)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(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，另一方面這些各種形狀的衍射圖樣給學(xué)生以美的感受，讓他們體會(huì)到了物理知識(shí)的奇、趣、美。對(duì)孔