光的衍射教案
光的衍射教案
【目标】
（一）知识与技能
1．通过实验观察，让学生认识光的衍射现象，知道发生明显的光的衍射现象的条件，从而对光的波动性有进一步的认识。
2．通过学习知道“光沿直线传播”是一种近似规律。
（二）过程与方法
1.通过讨论和对单缝衍射装置的观察，理解衍射条件的设计思想。
2.在认真观察课堂演示实验和课外自己动手观察衍射现象的基础上，培养学生比较推理能力和抽象思维能力。
（三）情感、态度与价值观
通过“泊松亮斑”等科学小故事的学习，培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德。
【重点】
单缝衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件。
【教学难点】
衍射条纹成因的初步说明。
【教学方法】
1．通过机械波衍射现象类比推理，提出光的衍射实验观察设想。
2．通过观察分析实验，归纳出产生明显衍射现象的条件以及衍射是光的波动性的表现。
3．通过对比认识衍射条纹的特点及变化，加深对衍射图象的了解。
【教学用具】
JGQ型氦氖激光器25台，衍射单缝（可调缝宽度），光屏、光栅衍射小圆孔板，两支铅笔（学生自备），日光灯（教室内一般都有），直径5 mm的自行车轴承用小钢珠，被磁化的钢针（吸小钢珠用），投影仪（本节课在光学实验室进行）
【教学过程】
（一）引入新课
复习水波的衍射
［投影水波衍射图片（如图1、图2所示）］
图1
图2
师：请大家看这几幅图片，回忆一下相关内容，回答下面两个问题：
1.什么是波的衍射？
2.图2中哪一幅衍射现象最明显？说明原因。
生1：（议论后，一人发言）波能绕过障碍物的现象叫波的衍射.图2中丙图衍射最明显，因为这里的孔宽度最小。
师：前一个问题回答得很好，后一个问题有没有同学还有其他看法？
生2：我认为丙图中孔的尺寸虽然是最小，但不一定就是发生明显衍射现象的原因，我们应该用它跟波长比。
师：很好，大家一起来说说发生明显衍射现象的条件是什么？
学生一起总结：障碍物或孔的尺寸比波长小或者跟波长相差不多。
师：光也是一种波，也能够发生衍射。这节课我们来认识光的衍射。
（二）进行新课
1．光的衍射
师：通过前面对光的干涉的学习，我们知道光是具有波动性的，光既然是一种波，那么在传播过程中也应该具有衍射的现象，大家有没有见过光的衍射现象呢？能举出例子吗？
（学生讨论后，一致认为，光波也应有衍射本领，但无法举出例子）
师：根据我们刚才复习的明显衍射现象的条件，大家说说看，为什么平时我们不易观察到光的衍射？
生：可能是因为光波波长很短，而平常我们遇到的障碍物或孔的尺寸比较大，所以不易观察到光的衍射现象.
师：很有道理，大家来想想办法解决这一问题.
（学生讨论，设计出多种实验观察方案，绝大部分着眼于发生明显衍射现象的条件，教师加以肯定鼓励）
［实验观察］
安排学生根据上面的设想，自制单缝和小孔.
1.用单缝观察日光灯光源.
2.用小孔观察单色点光源.
师：请大家认真观察，然后告诉我你看到的现象.
（学生回答基本上有两类现象，一是观察到了单一的一条亮线或一个圆形亮点，二是观察到比较模糊的明暗相间的线状或环状条纹）
师：大家做得很认真，有几位同学已成功地观察到了光的衍射现象，现在我们再用更好的装置来一起观察一下光的衍射现象.
［教师演示］
在不透明的屏上装有一个宽度可以调节的单缝，用氦氖激光器照射单缝，在缝后适当距离处放一光屏，如图所示.
调节单缝宽度演示，得出下列结果.
缝宽较宽较窄很窄极窄关闭
屏上现象一条较宽亮线一条较窄亮线亮线变宽、变暗并出现明暗相间条纹明暗条纹清晰、细小条纹消失
师：请大家将我们的实验结果与课本插图的几幅照片比较，总结一下光要发生明显的衍射应满足什么条件.
生：当狭缝的宽度比波长小或跟波长差不多时，光偏离了直线传播方向，发生了明显的衍射.
（点评：通过实验探究，获取必要的感性认识。为以后从理论上认识光的衍射奠定基础。）
师：大家通过实验观察到，光在传播过程中能离开直线绕过障碍物到达阴影里去，这一现象叫做光的衍射现象.衍射时产生的明暗条纹叫做衍射图样.其实，不仅单缝，还有圆孔，多条平行狭缝以及各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射.同机械波的衍射一样，光发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小.
师：下面我们再来观察一下圆孔和光栅的衍射现象.
（教师演示，将单缝分别换成圆孔和光栅，可以在屏上观察到清楚的明暗相间的圆环和清晰的明暗相间的条纹.)
师：同学们已经注意到，在衍射现象中，常有一些亮线和暗线，据此大家来猜猜原因.
生：在干涉现象中我们也观察到明暗相间的条纹，我想这里的道理应该跟在干涉现象中差不多.
师：猜想有道理.其实在光的衍射现象中，来自单缝或圆孔上不同位置的光，到光屏处的路程差满足一定的特点，叠加时加强或减弱，形成明暗相间的条纹，这确实跟光的干涉原理是相似的，大家再考虑一下，如果用白光做衍射实验，条纹会怎样呢？
生：条纹应该是彩色的，因为不同色光波长不同，在叠加时形成条纹位置也不一样，叠合时形成彩色.
师：回答得非常好，大家明白了吗？
生：明白.(教师指导学生用两支铅笔并拢观察日光灯衍射条纹)
师：光的衍射现象表明，我们平时说的“光沿直线传播”只是一种特殊情况。在障碍物的尺寸比波长大得多的情况下，光的传播是沿直线，当障碍物的尺寸可以与光的波长相比拟时，光的衍射现象就十分显著，这时就不能说光沿直线传播了。
师：在光的衍射现象中，历史上有过一个“泊松亮斑”的故事，请大家来阅读课本66页“科学足迹”栏目中的短文??泊松亮斑.
师：大家想不想看看这个亮斑？
生：想.
（教师演示，用被磁化的钢针吸一粒钢珠，悬起，使激光束与钢珠球心在同一直线上，如图所示，就能在屏上观察到钢珠暗影中心有一亮斑，即泊松亮斑.）
师：著名数学家泊松根据物理学家菲涅耳提出的波动理论推算出圆板阴影的中心应该是一个亮斑，想借此驳倒菲涅耳的波动理论，菲涅耳与阿拉果接受了泊松的挑战，通过多次实验，发现圆板中心确有一个亮斑。这样“泊松亮斑”实验就成了光的波动理论的精彩验证。大家从这个故事得到什么启发。
生1：验对物理研究有重要作用。
生2：到别人的质疑，要冷静面对，不要轻易放弃自己的立场或观点。
生3：学要坚持真理，实事求是。
（学生的回答很全面，教师要及时肯定鼓励）
2．衍射光栅
师：指导学生阅读教材有关内容。了解衍射光栅的制作原理。
（三）课堂总结、点评
本节课我们通过复习，回顾了机械波的衍射及产生明显衍射的条件。我们还观察到了光波的衍射现象。进一步认识光的波动性，光的直线传播只是一种特殊情况。
下面我们通过课件，再来回顾一下光的衍射现象。
[课件演示]《光的衍射》。（再次回顾光的衍射现象，增强感性认识，达到巩固所学知识的目的。）
（四）课余作业
完成P68“问题与练习”的题目。
课后阅读67页“科学漫步”??X射线衍射与双螺旋。
附：课后训练
1．点光源照射一个障碍物，在屏幕上所成的阴影的边缘是模糊的，这种现象是光的 （ ）
A．反射现象B．折射现象C．干涉现象D．衍射现象
答案：D
2．下列情况中能产生明显衍射现象的是 （ ）
A．光的波长比孔或障碍物的尺寸大得多
B．光的波长与孔或障碍物的尺寸相仿
C．光的波长等于孔或障碍物的尺寸
D．光的波长比孔或障碍物的尺寸小得多
答案：ABC
3．下列关于单缝衍射图样的说法中正确的是 （ ）
A．它和双缝干涉图样完全相同
B．亮条纹的亮度都相同，而宽度不同
C．中央亮条纹的亮度和宽度最大
D．亮条纹的宽度相同，而亮度不同
答案：C
4．在用单色平行光照射单缝观察衍射现象的实验中，下列说法正确的是 （ ）
A．缝越窄，衍射现象越显著
B．缝越宽，衍射现象越显著
C．照射光的波长越长，衍射现象越显著
D．照射光的频率越高，衍射现象越显著
解析：要观察到明显的衍射现象，必须孔或障碍物的尺寸足够小，可以和光的波长相比.由于光的波长极短，所以要求孔或缝的尺寸要非常小，光的波长越长，相当于缝越窄，而频率越高，波长越小，故AC正确.
答案：AC
5．在做杨氏双缝干涉实验时，将其中的一条狭缝挡住，在屏上仍能观察到明暗相间的条纹，此条纹 （ ）
A．仍是原来的干涉条纹，只是亮度减弱了
B．仍是干涉条纹，只是条纹宽度变窄了
C．是衍射条纹
D．无法确定是干涉条纹还是衍射条纹
答案：C
6．下列哪些现象是光的衍射产生的 （ ）
A．泊松亮斑
B．阳光下茂密的树阴中地面上的圆形亮斑
C．阳光经凸透镜后形成的亮斑
D．平行光照在一个较大障碍物上后，影的轮廓模糊不清
答案：AD
7．在下图中，A、B两幅图是由单色光分别入射到圆孔而形成的图样.其中A是光的________（填“干涉”或“衍射”）图样.由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径________（填“大于”或“小于”）图B所对应的圆孔的孔径。
A B
解析：只有障碍物或孔的尺寸比光波波长小或跟光波波长相仿时，才能发生明显的衍射现象，图A是光的衍射图样.由于光波波长很短，约在10－7 m数量级以上，所以图A对应的圆孔的孔径比图B对应的圆孔的孔径小.图B的形成可以用光的直进解释.
答案：衍射 小于
8．在固定于光具座上的点燃的蜡烛和光屏之间，放置一个不透明的板，板上开一个直径可调的小孔，让圆孔直径从1 cm左右开始逐渐调小至封闭，在这一过程中在屏上将依次出现的图样正确的是 （ ）
A．蜡烛倒立的像，明亮的圆斑，明暗相间的圆环
B．蜡烛倒立的像，明暗相间的圆环，明亮光斑
C．明亮圆斑，蜡烛倒立的像，明暗相间的圆环
D．明亮圆斑，明暗相间的圆环，蜡烛倒立的像
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