物理选修3-4第五章第2节 光的衍射

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