光的衍射教学设计

光的衍射教学设计 重庆第二外国语学校 刘海军   在中学物理教学中，将所学知识应用到实际生活中去，有利于帮助学生加深对物理知识的理解，有利于培养学生解决实际问题的能力，有利于提高学生进一步学习物理知识的兴趣。笔者在“光的衍射”一节教学中进行了尝试，收到了良好的教学效果。   一、教学设计   现行人教版高中《物理》教材中，对“光的衍射”一节的处理是基于单缝衍射和圆孔衍射两个实验，而且以此说明光发生明显衍射的条件和现象。在教学过程中，通过在教材中两个实验的基础上进行延伸、拓展，引导学生对比分析发现：光通过不同形状的障碍物发生衍射时，其衍射图样不一样。再进一步演示和观察光通过正三角形孔、正方形孔、正多边形孔的衍射现象加以验证，并介绍光的衍射在现代技术上的应用，如X射线通过晶体发生晶格衍射。反过来，用对应的衍射图样来推测晶体的微观结构。让学生分析为什么光学显微镜放大倍数受到限制，以及对光在介质中沿直线传播规律进一步再认识，使学生对光的衍射现象的认识得到升华。   二、实验器材及操作   光源选用激光笔，缝和孔的具体制作过程简述如下：   用刀片、缝衣针等工具在不透光的塑料卡片（如电话卡）上，分别刻制出不同宽度的缝和不同大小、不同形状的孔。如图1所示卡片上制作宽度约为2 mm的缝a和宽度约为0．5 mm的缝b；如图2所示卡片上制作直径约为2 mm的圆孔c和直径约为1 mm的圆孔d；如图3所示卡片上制作线度都约为1 mm的正三角形孔e、正方形体正多边形孔g。   演示时，把有孔或缝的卡片固定在支架上作为挡板，在相距1 m左右的位置，把激光笔光源照射到缝或孔上，在光屏（可以把白色墙壁作为光屏）上可看到相应的衍射现象，实验装置如图4所示。   三、教学过程   1．提出问题   师问：衍射是波所特有的现象，既然光也是一种波，为什么在日常生活中没有观察到光的衍射现象？   学生讨论。   2．分析问题   师问：衍射是波绕过障碍物传播的现象。波要发生明显的衍射现象（也即人们肉眼能直接观察到波的衍射现象）必须满足什么条件？   生答：波要发生明显衍射，必须满足一定的条件：只有障碍物或缝的尺寸跟波长差不多，或者比光的波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。   师问：怎样才能观察到光的衍射现象呢？   生答：光的波长很短，而可见光的波长实际上只有十分之几微米，一般物体的尺寸都比它大得多，因此，很难看到光的衍射现象。但是若障碍物或缝的尺寸很小，与光波波长差不多时，就应该观察到明显的衍射现象。   3．实验验证   实验一：如图4所示装置，把激光笔发出的激光分别照在单缝b、d上，观察屏上的图样。   现象及分析：当激光照在宽缝a上时，光沿着直线方向通过缝，在屏上产生一条跟缝的宽度相当的亮线；当激光照在窄缝b上时，光通过缝后就明显地偏离了直线传播方向照到了屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹，如图5所示，这就是光的衍射现象。   实验二：在上述实验中，把挡板换成图2所示卡片，把激光笔发出的激光分别照在圆孔c、d上，观察屏上的图样。   现象和分析：当激光照在直径较大的孔C上时，在屏上得到一个圆形亮斑，圆的大小跟按光沿直线传播规律作图得到的一样。当激光照在直径较小的孔d上时，屏上得到一些明暗相间的圆环，这些圆环达到的范围远远超过了光沿直线传播所对应照明的区域，如图6所示。   小结：上述两个实验说明：当缝或孔较大（比光波波长大得多）时，衍射现象不明显（肉眼很难直接观察到）；当缝或孔很小（与光波波长接近或比光波波长更小）时，衍射现象十分明显。   4．知识延伸   师问：同学们，试比较上面单缝衍射和圆孔衍射图样，有那些相同点，又有哪些不同点？   生答：相同点都是明暗相间的条纹。不同点是圆孔衍射条纹为圆环形状，而单缝衍射条纹是直线形状。   师问：通过比较，说明衍射图样的形状与什么有关？   生答：衍射图样的形状与障碍物的形状有关。   师问：如果用其他形状的孔，发生衍射时得到的衍射图样又怎样呢？   实验：在图4所示装置中，把挡板换成如图3所示卡片，依次演示激光通过正三角形孔e、正方形孔f、正多边形孔g发生的衍射现象，其衍射图样分别为如图7、8、9所示。   师问：通过比较、分析衍射图样与障碍物的形状，这些实验进一步说明了衍射图样与光通过的小孔的形状有关的结论，得出这一结论有什么作用呢？   学生讨论。   师问：能不能通过衍射图样，反过来推知小孔形状（或障碍物的结构）呢？   生答：由实验可知，衍射图样和孔的形状是一一对应的，因此，由衍射图样可以推知小孔的形状。   5．实际应用   师介绍：在现代应用光学分析技术中，科学家根据衍射图样与障碍物的结构间一一对应的关系，利用X射线穿过晶体后发生晶格衍射时，不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析得到的衍射图样，从而推理得出组成晶体的原子是如何排列的。   师问：同学们想一想，为什么要利用X射线呢？   生答：一方面X射线穿透能力强，另一方面其波长与晶体分子大小差不多，因此，X射线通过晶体时能够发生明显的衍射现象，从而得到清晰的衍射图样。   师介绍DNA的双螺旋结构的发现过程：弗兰克林这位具有非凡才能的物理化学家，成功地拍摄了不同温度下DNA晶体的X射线衍射照片，如图10所示，把这些各种局部的结构形状汇总。   DNA的衍射图片越来越清晰，越来越全面。此时，沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的形究，他们看了那张照片后，很快就领悟到了DNA的结构──两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们联结在一起。因此他们获得了诺贝尔奖。   X射线衍射在纳米技术的研究中也起着非常重要的作用……   师问：用光学显微镜观察微小物体时，发现显微镜放大倍数是要受到限制的，这是为什么呢？   学生讨论。   生答：当被观察的微小物体尺寸与可见光的波长差不多时，就会发生明显的衍射现象，这样就得不到清晰的像。因此，光学显微镜放大倍数受到了限制。   师问：光的衍射现象说明光沿曲线传播，这不是与前面学到的“光在同一种均匀介质中沿直线传播”矛盾吗？   学生讨论。   生答：不矛盾，使我们更清楚地认识了光的传播规律：一方面，光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的；另一方面，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，衍射现象不明显，也可以认为光是沿直线传播的。但是，在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象十分明显，这时不能说光沿直线传播了。   四、教学后记   通过对光经过各种形状的孔产生的衍射图样的观察，一方面培养了学生观察实验现象的能力，另一方面这些各种形状的衍射图样给学生以美的感受，让他们体会到了物理知识的奇、趣、美。对孔的形状和衍射图样的对比分析，得出重要的结论：衍射图样随孔的形状改变而改变；同时培养了学生分析问题的能力。最后，介绍X射线的晶格衍射的应用等知识也就水到渠成。因此，对课本知识的适当延伸、拓展，理论联系实际，有利于培养了学生观察、分析、解决实际问题的能力，这正是当今素质教育所要求的。