M 13.5 光的衍射
【目標(biāo)】
（一）知識(shí)與技能
1．通過實(shí)驗(yàn)觀察，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)光的衍射現(xiàn)象，知道發(fā)生明顯的光的衍射現(xiàn)象的條件，從而對(duì)光的波動(dòng)性有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
2．通過學(xué)習(xí)知道“光沿直線傳播”是一種近似規(guī)律。
（二）過程與方法
1.通過討論和對(duì)單縫衍射裝置的觀察，理解衍射條件的設(shè)計(jì)思想。
2.在認(rèn)真觀察課堂演示實(shí)驗(yàn)和課外自己動(dòng)手觀察衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生比較推理能力和抽象思維能力。
（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀
通過“泊松亮斑”等科學(xué)小故事的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)定的自信心、踏實(shí)勤奮的工作態(tài)度和科學(xué)研究品德。
【重點(diǎn)】
單縫衍射實(shí)驗(yàn)的觀察以及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。
【教學(xué)難點(diǎn)】
衍射條紋成因的初步說明。
【教學(xué)方法】
1．通過機(jī)械波衍射現(xiàn)象類比推理，提出光的衍射實(shí)驗(yàn)觀察設(shè)想。
2．通過觀察分析實(shí)驗(yàn)，歸納出產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件以及衍射是光的波動(dòng)性的表現(xiàn)。
3．通過對(duì)比認(rèn)識(shí)衍射條紋的特點(diǎn)及變化，加深對(duì)衍射圖象的了解。
【教學(xué)用具】
JGQ型氦氖激光器25臺(tái)，衍射單縫（可調(diào)縫寬度），光屏、光柵衍射小圓孔板，兩支鉛筆（學(xué)生自備），日光燈（教室內(nèi)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(jié)課在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行）
【教學(xué)過程】
（一）引入新課
復(fù)習(xí)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(qǐng)大家看這幾幅圖片，回憶一下相關(guān)內(nèi)容，回答下面兩個(gè)問題：
1.什么是波的衍射？
2.圖2中哪一幅衍射現(xiàn)象最明顯？說明原因。
生1：（議論后，一人發(fā)言）波能繞過障礙物的現(xiàn)象叫波的衍射.圖2中丙圖衍射最明顯，因?yàn)檫@里的孔寬度最小。
師：前一個(gè)問題回答得很好，后一個(gè)問題有沒有同學(xué)還有其他看法？
生2：我認(rèn)為丙圖中孔的尺寸雖然是最小，但不一定就是發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的原因，我們應(yīng)該用它跟波長(zhǎng)比。
師：很好，大家一起來說說發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？
學(xué)生一起總結(jié)：障礙物或孔的尺寸比波長(zhǎng)小或者跟波長(zhǎng)相差不多。
師：光也是一種波，也能夠發(fā)生衍射。這節(jié)課我們來認(rèn)識(shí)光的衍射。
（二）進(jìn)行新課
1．光的衍射
師：通過前面對(duì)光的干涉的學(xué)習(xí)，我們知道光是具有波動(dòng)性的，光既然是一種波，那么在傳播過程中也應(yīng)該具有衍射的現(xiàn)象，大家有沒有見過光的衍射現(xiàn)象呢？能舉出例子嗎？
（學(xué)生討論后，一致認(rèn)為，光波也應(yīng)有衍射本領(lǐng)，但無法舉出例子）
師：根據(jù)我們剛才復(fù)習(xí)的明顯衍射現(xiàn)象的條件，大家說說看，為什么平時(shí)我們不易觀察到光的衍射？
生：可能是因?yàn)楣獠úㄩL(zhǎng)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(xiàn)象.
師：很有道理，大家來想想辦法解決這一問題.
（學(xué)生討論，設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)觀察方案，絕大部分著眼于發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，教師加以肯定鼓勵(lì)）
［實(shí)驗(yàn)觀察］
安排學(xué)生根據(jù)上面的設(shè)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(diǎn)光源.
師：請(qǐng)大家認(rèn)真觀察，然后告訴我你看到的現(xiàn)象.
（學(xué)生回答基本上有兩類現(xiàn)象，一是觀察到了單一的一條亮線或一個(gè)圓形亮點(diǎn)，二是觀察到比較模糊的明暗相間的線狀或環(huán)狀條紋）
師：大家做得很認(rèn)真，有幾位同學(xué)已成功地觀察到了光的衍射現(xiàn)象，現(xiàn)在我們?cè)儆酶�好的裝置來一起觀察一下光的衍射現(xiàn)象.
［教師演示］
在不透明的屏上裝有一個(gè)寬度可以調(diào)節(jié)的單縫，用氦氖激光器照射單縫，在縫后適當(dāng)距離處放一光屏，如圖所示.

調(diào)節(jié)單縫寬度演示，得出下列結(jié)果.
縫寬較寬較窄很窄極窄關(guān)閉
屏上現(xiàn)象一條較寬亮線一條較窄亮線亮線變寬、變暗并出現(xiàn)明暗相間條紋明暗條紋清晰、細(xì)小條紋消失
師：請(qǐng)大家將我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課本插圖的幾幅照片比較，總結(jié)一下光要發(fā)生明顯的衍射應(yīng)滿足什么條件.
生：當(dāng)狹縫的寬度比波長(zhǎng)小或跟波長(zhǎng)差不多時(shí)，光偏離了直線傳播方向，發(fā)生了明顯的衍射.
（點(diǎn)評(píng)：通過實(shí)驗(yàn)探究，獲取必要的感性認(rèn)識(shí)。為以后從理論上認(rèn)識(shí)光的衍射奠定基礎(chǔ)。）
師：大家通過實(shí)驗(yàn)觀察到，光在傳播過程中能離開直線繞過障礙物到達(dá)陰影里去，這一現(xiàn)象叫做光的衍射現(xiàn)象.衍射時(shí)產(chǎn)生的明暗條紋叫做衍射圖樣.其實(shí)，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(fā)生衍射.同機(jī)械波的衍射一樣，光發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是：障礙物或孔的尺寸可以跟光的波長(zhǎng)相比，甚至比光的波長(zhǎng)還小.
師：下面我們?cè)賮碛^察一下圓孔和光柵的衍射現(xiàn)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(huán)和清晰的明暗相間的條紋.)
師：同學(xué)們已經(jīng)注意到，在衍射現(xiàn)象中，常有一些亮線和暗線，據(jù)此大家來猜猜原因.
生：在干涉現(xiàn)象中我們也觀察到明暗相間的條紋，我想這里的道理應(yīng)該跟在干涉現(xiàn)象中差不多.
師：猜想有道理.其實(shí)在光的衍射現(xiàn)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(diǎn)，疊加時(shí)加強(qiáng)或減弱，形成明暗相間的條紋，這確實(shí)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(shí)驗(yàn)，條紋會(huì)怎樣呢？
生：條紋應(yīng)該是彩色的，因?yàn)椴煌�色光波長(zhǎng)不同，在疊加時(shí)形成條紋位置也不一樣，疊合時(shí)形成彩色.
師：回答得非常好，大家明白了嗎？
生：明白.(教師指導(dǎo)學(xué)生用兩支鉛筆并攏觀察日光燈衍射條紋)
師：光的衍射現(xiàn)象表明，我們平時(shí)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(zhǎng)大得多的情況下，光的傳播是沿直線，當(dāng)障礙物的尺寸可以與光的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，光的衍射現(xiàn)象就十分顯著，這時(shí)就不能說光沿直線傳播了。
師：在光的衍射現(xiàn)象中，歷史上有過一個(gè)“泊松亮斑”的故事，請(qǐng)大家來閱讀課本66頁“科學(xué)足跡”欄目中的短文??泊松亮斑.
師：大家想不想看看這個(gè)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(shù)學(xué)家泊松根據(jù)物理學(xué)家菲涅耳提出的波動(dòng)理論推算出圓板陰影的中心應(yīng)該是一個(gè)亮斑，想借此駁倒菲涅耳的波動(dòng)理論，菲涅耳與阿拉果接受了泊松的挑戰(zhàn)，通過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓板中心確有一個(gè)亮斑。這樣“泊松亮斑”實(shí)驗(yàn)就成了光的波動(dòng)理論的精彩驗(yàn)證。大家從這個(gè)故事得到什么啟發(fā)。
生1：驗(yàn)對(duì)物理研究有重要作用。
生2：到別人的質(zhì)疑，要冷靜面對(duì)，不要輕易放棄自己的立場(chǎng)或觀點(diǎn)。
生3：學(xué)要堅(jiān)持真理，實(shí)事求是。
（學(xué)生的回答很全面，教師要及時(shí)肯定鼓勵(lì)）
2．衍射光柵
師：指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。了解衍射光柵的制作原理。
（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng)
本節(jié)課我們通過復(fù)習(xí)，回顧了機(jī)械波的衍射及產(chǎn)生明顯衍射的條件。我們還觀察到了光波的衍射現(xiàn)象。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性，光的直線傳播只是一種特殊情況。
下面我們通過課件，再來回顧一下光的衍射現(xiàn)象。
[課件演示]《光的衍射》。（再次回顧光的衍射現(xiàn)象，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，達(dá)到鞏固所學(xué)知識(shí)的目的。）

（四）課余作業(yè)
完成P68“問題與練習(xí)”的題目。
課后閱讀67頁“科學(xué)漫步”??X射線衍射與雙螺旋。
附：課后訓(xùn)練
1．點(diǎn)光源照射一個(gè)障礙物，在屏幕上所成的陰影的邊緣是模糊的，這種現(xiàn)象是光的 （ ）
A．反射現(xiàn)象B．折射現(xiàn)象C．干涉現(xiàn)象D．衍射現(xiàn)象
答案：D
2．下列情況中能產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的是 （ ）
A．光的波長(zhǎng)比孔或障礙物的尺寸大得多
B．光的波長(zhǎng)與孔或障礙物的尺寸相仿
C．光的波長(zhǎng)等于孔或障礙物的尺寸
D．光的波長(zhǎng)比孔或障礙物的尺寸小得多
答案：ABC
3．下列關(guān)于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(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是 （ ）
A．縫越窄，衍射現(xiàn)象越顯著
B．縫越寬，衍射現(xiàn)象越顯著
C．照射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越顯著
D．照射光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越顯著
解析：要觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，必須孔或障礙物的尺寸足夠小，可以和光的波長(zhǎng)相比.由于光的波長(zhǎng)極短，所以要求孔或縫的尺寸要非常小，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，相當(dāng)于縫越窄，而頻率越高，波長(zhǎng)越小，故AC正確.
答案：AC
5．在做楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(xiàn)象是光的衍射產(chǎn)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(jīng)凸透鏡后形成的亮斑
D．平行光照在一個(gè)較大障礙物上后，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(duì)應(yīng)的圓孔的孔徑________（填“大于”或“小于”）圖B所對(duì)應(yīng)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(zhǎng)小或跟光波波長(zhǎng)相仿時(shí)，才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，圖A是光的衍射圖樣.由于光波波長(zhǎng)很短，約在10－7 m數(shù)量級(jí)以上，所以圖A對(duì)應(yīng)的圓孔的孔徑比圖B對(duì)應(yīng)的圓孔的孔徑小.圖B的形成可以用光的直進(jìn)解釋.
答案：衍射 小于
8．在固定于光具座上的點(diǎn)燃的蠟燭和光屏之間，放置一個(gè)不透明的板，板上開一個(gè)直徑可調(diào)的小孔，讓圓孔直徑從1 cm左右開始逐漸調(diào)小至封閉，在這一過程中在屏上將依次出現(xiàn)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(huán)
B．蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環(huán)，明亮光斑
C．明亮圓斑，蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環(huán)
D．明亮圓斑，明暗相間的圓環(huán)，蠟燭倒立的像

本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.portlandfoamroofing.com/gaoer/65222.html

相關(guān)閱讀：波的衍射學(xué)案