物理选修3-4第五章第2节 光的衍射

作者:胡丽君 来源:未知 点击数: 发布时间:2018年01月08日

物理选修3-4第五章第2节 光的衍射

开课人:胡丽君 物理组   指导老师:张怀庆老师

【教学目标】

(一)知识与技能

1、知道光的衍射现象,及光通过狭缝和圆孔的衍射条纹特点,知道光产生明显衍射的条件。

2、能用相关知识对生活中的有关现象进行解释和分析,能区别干涉条纹和衍射条纹。

(二)过程与方法

引导学生与以前学过的机械波的衍射进行类比,进行知识的迁移,再通过视频和课件分析讲解,启发学生积极思考思考、培养学生观察能力、想象力及分析和解决问题的能力。

(三)情感态度与价值观

1、通过光的衍射现象的观察,再次提高学生在学习中体会物理知识之美。

2、通过学习科学趣味故事,让学生知道科学研究必须重视理论的指导和实践的勤奋作用,了解科学的预言性及科学的魅力。

【教学重点与难点】

光的衍射条纹特点及发生明显的光的衍射现象的条件。

光的干涉条纹和衍射条纹的异同。

【教学用具】

    激光笔、单峰、光栅、鸡毛、游标卡尺等

【教学过程】

(一)引入

师:在上一节中,我们学习了光的干涉,证明了光是一种波。而波的另一特征是衍射现象。光是否具有衍射现象?如果有衍射现象,为什么我们日常生活中只看到“直线传播”,没有观察到光的衍射现象呢?解决这个问题前,我们先回顾下什么是衍射,及衍射的条件。

提问1:什么是波的衍射?

生:波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象。

提问2:产生明显的波的衍射要具备什么样的条件?

生:波产生明显衍射的条件是障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多。

师:而可见光的波长为400nm~800nm,很短,通常的物体都比它大得多,故生活中很少见到光的衍射。我们来通过一个视频实验来捕捉光的衍射。

(二)新课教学

一、光的衍射现象

师:这里有个不透光的板,板上有个可伸缩的孔。板一边是光源,

一边是屏。当孔较大时,光沿直线传播,我们在屏上可观察到 

一个和孔成几何比例的光斑。现在我们让孔慢慢缩小,大家观察下光斑如何变化。

生:当孔变小时,光斑等比例变小。小到一定程度,光斑反倒增大,出现明显衍射现象。并且在光斑之外出现明暗相间的环形条纹。

师:观察得很仔细,说的很好。我们来用简易图来分阶段解读下。

1、 当孔较大时,屏上出现与距离和小孔成几何比例的光斑,说明“光沿直线传播”,但边缘有些模糊,说明有光的衍射现象。孔变小,光斑也变小。

2、 孔再减小时,屏上出现光源倒立的像,这便是初中所学的小孔成像。也是因为“光沿直线传播”。

3、 孔较小时,在阴影部分出现了明暗相间的图样,说明光绕过障碍物,传到阴影区。出现明显衍射现象。而且孔越小,中心的亮斑反倒越大,说明衍射现象越明显。甚至有个更神奇的现象,在亮斑的中心会出现个很小的小黑点。

由于光波很短,要像视频中那样观察到光的明显衍射现象,只有当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时,才可以。

总结:

(1)  光离开直线路径绕过障碍物,到达阴影里的现象叫做光的衍射现象。

(2)  发生明显衍射的条件:障碍物或狭缝的尺寸比光的波长小或者跟波长差不多

(3)  衍射的物理意义:证明光是一种波;与“光在无障碍物的均匀介质中或障碍物的尺寸比光波长大很多时,沿直线传播”一同补充了光的传播规律。

二、光的衍射图样

(一)圆孔衍射

师:刚才是光通过小孔形成了明显的衍射图样,这个图样被我们称为“圆孔衍射”。它有什么特点?

生:中间是亮斑,因为发生明显衍射,阴影部分也被照到,而且是形成明暗相间的环形条纹。

(二)圆盘衍射

师:不只是圆孔,光照射物体,物体的边缘也能发生衍射,以致使影的轮廓模糊 

不清。如刀片的边缘。如照到一个小圆盘。

    在圆盘背后,我们可以观察到一个黑影。但这个黑影的边缘模糊。说明什么?

生:发生了衍射现象。

师:对。再观察,发现中间光最照不到的地方,居然出现一个小小的亮斑。这个亮斑就是著名的“泊松亮斑”。它背后有个有趣的故事。我们请一位同学声容并茂地为我们讲述这个故事。

生:1818年法国的巴黎科学院为了鼓励对衍射问题的研究,悬赏征集这方面的论文。当时年轻的物理学家菲涅耳按照波动说深入地研究了光的衍射,在论文中提出了解决衍射问题的数学方法。作为评委之一的法国科学家泊松,按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影像问题。他发现,如果该理论成立,那么在影的中心应该出现一个亮斑。泊松认为这是非常荒谬可笑的,并声称驳倒了光的波动说。在这个关键时刻,菲涅耳和物理学家阿拉果用实验观察到了这个亮斑。这样泊松的计算反而支持了光的波动说。后来人们为了纪念这个有意义的事件,把这个亮班称为泊松亮斑。

师:很好。从这个富有趣味和寓意的故事中,我们收获到什么呢?请同学们分享下自己的感想。

生1:敢于与权威作斗争

生2:当别人质疑我们时,我们要坚信自己,对自己要有信心。

师:同学们说的很好,读史明智,我们要善于从前人的事迹中收获智慧。老师总结下大家的感受。这个故事有两个人物:菲涅耳和泊松。菲涅耳面对泊松的质疑,因为对自己的自信、对科学理论的信心,而没有退缩,接受他的挑战,并用事实赢得了胜利。这告诉我们,自信的重要,同时当别人认为荒谬之极的事,我们一定要实践出真知。不做永远不知道。这就是“实践才能检验真理”。从整个故事,我们也看到了科学的预言性。泊松利用自己的数学能力预言亮斑的存在,正是他的指出,才引导我们去发现。这正是科学的魅力。我们来通过视频来重温下泊松亮斑的再现。并说下这个圆盘衍射的衍射图样有什么特点。

生:中间是黑影,但黑影的边缘光线有到达,出现明暗相间的条纹,甚至黑影的中心出现一个亮斑“泊松亮斑”。

(三)单缝衍射

师:上节课我们学了双缝干涉。结合刚才所讲的内容,如果我们把其中一个狭缝遮住,将会有什么现象?

生:单缝衍射现象。

师:嗯,当光通过一个狭缝的时候,应该会有衍射图样。我们来一起通过模拟动画,观察当缝越来越小时,衍射图样的出现。

生:缝较大大时,出现与缝等宽的亮纹。缝变窄,

按理亮纹应该也变窄,却看到亮纹变宽。说明 

发生了衍射现象。光找到了阴影区。再窄,阴影区被照亮的范围更多,甚至出现明暗相间

的条纹。出现明显衍射现象。

1、单缝衍射条纹特征

师:当光通过狭缝时,出现明显衍射现象,被我们称为“单缝衍射”。我们来通过进一步改变狭缝的宽窄,观察下图样特点。

生:中央亮纹宽而亮。两侧亮纹亮度骤减,变成窄而暗,且关于中央亮纹对称。而且我们观察到缝越小,衍射现象越明显,中央亮纹越宽,亮纹间间距越大。

2、根据“明显衍射的条件”,猜测衍射规律:

师:根据“明显衍射的条件”和大家阐述的明显衍射图样,我们来猜测单缝衍射的规律。

让同一色光红光通过不同的狭缝,缝越小,图样应该如何?请同学试着画出衍射图样。

生:波长一定,单缝越窄,衍射现象越明显,中央条纹越宽,条纹间距越 大。

师:如果让红光和蓝光分别通过同一狭缝,图样又有何区别?

生:蓝光波长较短,衍射现象更不明显。中央亮纹应该较窄,条纹间距较 小。

师:说明单缝一定,光波波长越大,中央亮纹越宽,条纹间隔越大。

那用白光作单缝衍射,图样又如何?

生:应该是七色光衍射图样的叠加。因所有的衍射图样中央都是亮纹,所

以中央七色光叠加,应该变成白光。由于各光波长不同,条纹间距不同,两侧应为彩色

条纹,而且外红内紫。

3、干涉条纹与衍射条纹的区别

师:衍射图样和之前所学的干涉图样有点像又有不同。我们来区别下。图中哪列是干涉条纹,哪列是衍射条纹?

生:左边是干涉,右边是衍射。

师:你怎么判断的?

生:干涉条纹是等间距的明暗相间条纹。衍射条纹则中间宽,两边窄,条纹的宽度不等,间距不等。

三、衍射光栅

师:单缝衍射的条纹比较宽,而且距离中央条纹较远处的条纹亮度也很低,不能达到实用要求。实验表明,增加狭缝的个数,衍射条纹的宽度将变窄,亮度将增加。于是制作了由许多等宽的狭缝等距离的排列起来形成的光学仪器——衍射光栅。它可分为透射光栅和反射光栅。

  它的图样可以看成是单缝衍射和多缝干涉的共同结果

四、学生活动:透过狭缝看世界

师:明显衍射现象很难见。要想看到,我们得制造狭缝、小孔,小到一根细丝、一个针孔。老师提供这些工具,大家来一起制造狭缝看世界。

    游标卡尺的外爪靠的很近时,两爪间可形成一道狭缝;实验室提供的光栅;生活中常见的鸡毛,可以看成天然的光栅;两根笔挨在一起就得到了狭缝;甚至把眼睛眯着都可以形成一个狭缝。大家通过自己的狭缝观察下日光灯发出的光。会看到什么神奇的现象呢?

生:绚丽的彩色条纹。

五、衍射的应用

师:白光的衍射带来多彩的效果。所以摄像师常用来光栅来拍摄灯光获得多彩的街景。老师透过光栅拍了学校标志性建筑。

书本中还介绍了衍射的其他应用:圆孔衍射决定了光学仪器 

的分辨本领。显微镜中的物镜就相当于圆孔,放大倍率要求越高,物镜需越小。此时衍射现象很明显,甚至不同细胞的衍射图样重叠在一起,难以分辨。为了降低衍射带来的影响,我们应选用波长更短而不容易发生衍射的电子显微镜;或者用大口径的光学元件。

六、知识小结

师:本节课讲了光的衍射现象,及发生明显衍射所需的条件。生活中很难见到的原因是可见光波波长较短、障碍物较大。只有小到一根针,一个针孔,才能看到明显衍射。还介绍了几种衍射图样,大家要学会区分。如圆孔衍射中心是亮斑,光侵略到阴影区形成明暗条纹;而圆盘衍射中心是黑影,光侵略到阴影区形成明暗条纹,甚至在阴影中心出现一个小亮点“泊松亮斑”。它们最大的区别是中间亮斑的大小。圆孔衍射的中心亮斑较大。同时大家也要分辨得出单缝衍射和双缝干涉的图样。

例1、  分别说出右图这些图样分别是什么衍射形成的。

生:左边是圆孔衍射,右边是圆盘衍射,上边是衍射条纹,下边 

是干涉条纹。

例2、下面六种现象中,都是因什么现象造成的

A.阳光下肥皂膜上的彩色条纹;

B.在手术灯照射下,手术刀不会留下影子;

C.太阳光通过三棱镜产生的彩色条纹;

D.  不透光圆盘后面的阴影中心出现一个亮斑;

E.用点光源照射小圆孔,后面屏上会出现明暗相间的圆环.

F. 眼睛眯成一条线看到的发光的电灯周围有彩色花纹

生:A是薄膜干涉;B是光的直线传播,各个不同方位的灯使得影子“消失”;C是色散,是折射现象;D是圆盘衍射;E是圆孔衍射;F是单缝衍射。

例3、我们经常可以看到,凡路边施工处总挂有红色的电灯,这除了红色光容易引起人的视觉注意以外,还有一个重要的原因,这一原因是红色光(         )

A.比其他色光更容易发生衍射        

B.比其他可见光更容易发生干涉

C.比其他可见光更容易发生反射    

D.比其他可见光更容易发生折射

生:施工处尘土飞扬,光需要绕过尘土传播,故应该是衍射现象,而红光波长大,衍射现象明显。

【作业】

1、完成课本后面的练习;2、完成《课课练》相关练习。

【教学反思 】

1、教材要求学生初步了解光的衍射现象,不做理论讨论,因此与机械波类比和观察实验现象是十分重要的。首先,要结合机械波的衍射,使学生明确光产生衍射的条件。讲光的衍射要配合演示实验、要让学生能区分干涉图样与衍射图样的区别;单色光干涉图样条纹等间距,衍射图样中间宽两边。

2、应该让学生了解,光的直进,是几何光学的基础,光的衍射现象并没有完全否定光的直进,而是指出了光的直进的适用范围或者说它的局限性。

3、在教学中,明确重点即光的衍射现象和明显衍射的条件。应反复强调,并给学生感性认识,障碍物小到什么程度才能看到明显衍射现象


(编辑:教科室)