光的衍射教案

光的衍射教案

【目標】

（一）知識與技能

1．透過實驗觀察，讓學生認識光的衍射現象，知道發生明顯的光的衍射現象的條件，從而對光的波動性有進一步的認識。

2．透過學習知道“光沿直線傳播”是一種近似規律。

（二）過程與方法

1.透過討論和對單縫衍射裝置的觀察，理解衍射條件的設計思想。

2.在認真觀察課堂演示實驗和課外自己動手觀察衍射現象的基礎上，培養學生比較推理能力和抽象思維能力。

（三）情感、態度與價值觀

透過“泊松亮斑”等科學小故事的學習，培養學生堅定的自信心、踏實勤奮的工作態度和科學研究品德。

【重點】

單縫衍射實驗的觀察以及產生明顯衍射現象的條件。

【教學難點】

衍射條紋成因的初步說明。

【教學方法】

1．透過機械波衍射現象類比推理，提出光的衍射實驗觀察設想。

2．透過觀察分析實驗，歸納出產生明顯衍射現象的條件以及衍射是光的波動性的表現。

3．透過對比認識衍射條紋的特點及變化，加深對衍射圖象的瞭解。

【教學用具】

JGQ型氦氖激光器25臺，衍射單縫（可調縫寬度），光屏、光柵衍射小圓孔板，兩支鉛筆（學生自備），日光燈（教室內一般都有），直徑5 mm的自行車軸承用小鋼珠，被磁化的鋼針（吸小鋼珠用），投影儀（本節課在光學實驗室進行）

【教學過程】

（一）引入新課

複習水波的衍射

［投影水波衍射圖片（如圖1、圖2所示）］

圖1

圖2

師：請大家看這幾幅圖片，回憶一下相關內容，回答下面兩個問題：

1.什麼是波的衍射？

2.圖2中哪一幅衍射現象最明顯？說明原因。

生1：（議論後，一人發言）波能繞過障礙物的現象叫波的衍射.圖2中丙圖衍射最明顯，因爲這裏的孔寬度最小。

師：前一個問題回答得很好，後一個問題有沒有同學還有其他看法？

生2：我認爲丙圖中孔的尺寸雖然是最小，但不一定就是發生明顯衍射現象的原因，我們應該用它跟波長比。

師：很好，大家一起來說說發生明顯衍射現象的條件是什麼？

學生一起總結：障礙物或孔的尺寸比波長小或者跟波長相差不多。

師：光也是一種波，也能夠發生衍射。這節課我們來認識光的衍射。

（二）進行新課

1．光的衍射

師：透過前面對光的干涉的學習，我們知道光是具有波動性的，光既然是一種波，那麼在傳播過程中也應該具有衍射的現象，大家有沒有見過光的衍射現象呢？能舉出例子嗎？

（學生討論後，一致認爲，光波也應有衍射本領，但無法舉出例子）

師：根據我們剛纔複習的明顯衍射現象的條件，大家說說看，爲什麼平時我們不易觀察到光的衍射？

生：可能是因爲光波波長很短，而平常我們遇到的障礙物或孔的尺寸比較大，所以不易觀察到光的衍射現象.

師：很有道理，大家來想想辦法解決這一問題.

（學生討論，設計出多種實驗觀察方案，絕大部分着眼於發生明顯衍射現象的條件，教師加以肯定鼓勵）

［實驗觀察］

安排學生根據上面的設想，自制單縫和小孔.

1.用單縫觀察日光燈光源.

2.用小孔觀察單色點光源.

師：請大家認真觀察，然後告訴我你看到的現象.

（學生回答基本上有兩類現象，一是觀察到了單一的一條亮線或一個圓形亮點，二是觀察到比較模糊的明暗相間的線狀或環狀條紋）

師：大家做得很認真，有幾位同學已成功地觀察到了光的衍射現象，現在我們再用更好的裝置來一起觀察一下光的衍射現象.

［教師演示］

在不透明的屏上裝有一個寬度可以調節的單縫，用氦氖激光器照射單縫，在縫後適當距離處放一光屏，如圖所示.

調節單縫寬度演示，得出下列結果.

縫寬較寬較窄很窄極窄關閉

屏上現象一條較寬亮線一條較窄亮線亮線變寬、變暗並出現明暗相間條紋明暗條紋清晰、細小條紋消失

師：請大家將我們的實驗結果與課本插圖的幾幅照片比較，總結一下光要發生明顯的衍射應滿足什麼條件.

生：當狹縫的寬度比波長小或跟波長差不多時，光偏離了直線傳播方向，發生了明顯的衍射.

（點評：透過實驗探究，獲取必要的感性認識。爲以後從理論上認識光的衍射奠定基礎。）

師：大家透過實驗觀察到，光在傳播過程中能離開直線繞過障礙物到達陰影裏去，這一現象叫做光的衍射現象.衍射時產生的明暗條紋叫做衍射圖樣.其實，不僅單縫，還有圓孔，多條平行狹縫以及各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射.同機械波的衍射一樣，光發生明顯衍射現象的條件是：障礙物或孔的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小.

師：下面我們再來觀察一下圓孔和光柵的衍射現象.

（教師演示，將單縫分別換成圓孔和光柵，可以在屏上觀察到清楚的明暗相間的圓環和清晰的明暗相間的條紋.)

師：同學們已經注意到，在衍射現象中，常有一些亮線和暗線，據此大家來猜猜原因.

生：在干涉現象中我們也觀察到明暗相間的條紋，我想這裏的道理應該跟在干涉現象中差不多.

師：猜想有道理.其實在光的衍射現象中，來自單縫或圓孔上不同位置的光，到光屏處的路程差滿足一定的特點，疊加時加強或減弱，形成明暗相間的條紋，這確實跟光的干涉原理是相似的，大家再考慮一下，如果用白光做衍射實驗，條紋會怎樣呢？

生：條紋應該是彩色的，因爲不同色光波長不同，在疊加時形成條紋位置也不一樣，疊合時形成彩色.

師：回答得非常好，大家明白了嗎？

生：明白.(教師指導學生用兩支鉛筆併攏觀察日光燈衍射條紋)

師：光的衍射現象表明，我們平時說的“光沿直線傳播”只是一種特殊情況。在障礙物的尺寸比波長大得多的情況下，光的傳播是沿直線，當障礙物的尺寸可以與光的波長相比擬時，光的衍射現象就十分顯著，這時就不能說光沿直線傳播了。

師：在光的衍射現象中，歷史上有過一個“泊松亮斑”的故事，請大家來閱讀課本66頁“科學足跡”欄目中的短文??泊松亮斑.

師：大家想不想看看這個亮斑？

生：想.

（教師演示，用被磁化的鋼針吸一粒鋼珠，懸起，使激光束與鋼珠球心在同一直線上，如圖所示，就能在屏上觀察到鋼珠暗影中心有一亮斑，即泊松亮斑.）

師：著名數學家泊松根據物理學家菲涅耳提出的波動理論推算出圓板陰影的中心應該是一個亮斑，想借此駁倒菲涅耳的波動理論，菲涅耳與阿拉果接受了泊松的挑戰，透過多次實驗，發現圓板中心確有一個亮斑。這樣“泊松亮斑”實驗就成了光的波動理論的精彩驗證。大家從這個故事得到什麼啓發。

生1：驗對物理研究有重要作用。

生2：到別人的質疑，要冷靜面對，不要輕易放棄自己的立場或觀點。

生3：學要堅持真理，實事求是。

（學生的回答很全面，教師要及時肯定鼓勵）

2．衍射光柵

師：指導學生閱讀教材有關內容。瞭解衍射光柵的製作原理。

（三）課堂總結、點評

本節課我們透過複習，回顧了機械波的衍射及產生明顯衍射的條件。我們還觀察到了光波的衍射現象。進一步認識光的波動性，光的直線傳播只是一種特殊情況。

下面我們透過課件，再來回顧一下光的衍射現象。

[課件演示]《光的衍射》。（再次回顧光的衍射現象，增強感性認識，達到鞏固所學知識的目的。）

（四）課餘作業

完成P68“問題與練習”的題目。

課後閱讀67頁“科學漫步”??X射線衍射與雙螺旋。

附：課後訓練

1．點光源照射一個障礙物，在屏幕上所成的陰影的邊緣是模糊的，這種現象是光的 （ ）

A．反射現象B．折射現象C．干涉現象D．衍射現象

答案：D

2．下列情況中能產生明顯衍射現象的是 （ ）

A．光的波長比孔或障礙物的尺寸大得多

B．光的波長與孔或障礙物的尺寸相仿

C．光的波長等於孔或障礙物的尺寸

D．光的波長比孔或障礙物的尺寸小得多

答案：ABC

3．下列關於單縫衍射圖樣的說法中正確的是 （ ）

A．它和雙縫干涉圖樣完全相同

B．亮條紋的亮度都相同，而寬度不同

C．中央亮條紋的亮度和寬度最大

D．亮條紋的寬度相同，而亮度不同

答案：C

4．在用單色平行光照射單縫觀察衍射現象的實驗中，下列說法正確的是 （ ）

A．縫越窄，衍射現象越顯著

B．縫越寬，衍射現象越顯著

C．照射光的波長越長，衍射現象越顯著

D．照射光的頻率越高，衍射現象越顯著

解析：要觀察到明顯的衍射現象，必須孔或障礙物的尺寸足夠小，可以和光的波長相比.由於光的波長極短，所以要求孔或縫的尺寸要非常小，光的波長越長，相當於縫越窄，而頻率越高，波長越小，故AC正確.

答案：AC

5．在做楊氏雙縫干涉實驗時，將其中的一條狹縫擋住，在屏上仍能觀察到明暗相間的條紋，此條紋 （ ）

A．仍是原來的干涉條紋，只是亮度減弱了

B．仍是干涉條紋，只是條紋寬度變窄了

C．是衍射條紋

D．無法確定是干涉條紋還是衍射條紋

答案：C

6．下列哪些現象是光的衍射產生的 （ ）

A．泊松亮斑

B．陽光下茂密的樹陰中地面上的圓形亮斑

C．陽光經凸透鏡後形成的亮斑

D．平行光照在一個較大障礙物上後，影的輪廓模糊不清

答案：AD

7．在下圖中，A、B兩幅圖是由單色光分別入射到圓孔而形成的圖樣.其中A是光的________（填“干涉”或“衍射”）圖樣.由此可以判斷出圖A所對應的圓孔的孔徑________（填“大於”或“小於”）圖B所對應的圓孔的孔徑。

A B

解析：只有障礙物或孔的尺寸比光波波長小或跟光波波長相仿時，才能發生明顯的衍射現象，圖A是光的衍射圖樣.由於光波波長很短，約在10－7 m數量級以上，所以圖A對應的圓孔的孔徑比圖B對應的圓孔的孔徑小.圖B的形成可以用光的直進解釋.

答案：衍射 小於

8．在固定於光具座上的點燃的蠟燭和光屏之間，放置一個不透明的板，板上開一個直徑可調的小孔，讓圓孔直徑從1 cm左右開始逐漸調小至封閉，在這一過程中在屏上將依次出現的圖樣正確的是 （ ）

A．蠟燭倒立的像，明亮的圓斑，明暗相間的圓環

B．蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環，明亮光斑

C．明亮圓斑，蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環

D．明亮圓斑，明暗相間的圓環，蠟燭倒立的像