光的衍射和漫反射现象教学创新与拓展

吕海军 赵文辉 刘艳磊 张静

摘要：在大学物理教学中，光的衍射现象和漫反射效应是必备的知识点。在理想条件下，夫琅禾费单缝衍射中会有衍射光芒并带有明暗相间条纹的出现，有色粉末的研磨程度越高，漫反射越强，颜色越深。把光的衍射现象和漫反射效应的演示带入课堂，引导学生对影响现象的因素进行探讨，并给出合理的解释。

关键词：衍射；光阑；光芒；漫反射；研磨程度

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）25-0156-02

一、光的衍射

（一）光衍射现象教学

衍射是波动在传播路径上遇到障碍物后，绕过障碍物的边缘而进入几何阴影内传播的现象。在我们的生活中，衍射现象处处存在。例如在一堵隔音墙两侧的人可以相互听到对方讲话；在夜间看路边亮灯时，会看到许多大小不一的星芒从亮灯周围向外发散。

惠更斯—菲涅尔原理是研究衍射现象的理论基础[1]，可以定性的解决衍射波传播方向的问题。衍射依据光源与光阑之间的距离的大小分为两类：第一类为菲涅尔衍射，光源与光阑距离有限远，进入光阑的光线非平行光；第二类为夫琅禾费衍射，光源与光阑距离无限远，进入光阑的光线为平行光[2]。

课堂教学中以单缝夫琅禾费衍射为例，利用半波带法，讨论并给出了各级明条纹在接收屏上的位置分布和明纹的宽度，并且从理论推导中总结出了条纹的特点。单缝衍射有两条由明暗相间条纹排列组成的衍射光芒，衍射光芒的方向分别指向边的单缝的外法线方向；衍射光芒中存在明暗相间条纹，除中央明纹外，其他条纹宽度相等，中央明纹的宽度为其他明纹宽度的两倍；单缝宽度和光波长影响衍射程度，单缝宽度越小，波长越大，明纹越宽，衍射现象越明显[3-6]。

（二）光衍射现象教学创新与拓展

利用仿真软件研究单缝夫琅禾费衍射的实验现象，在仿真实验中发现，单缝衍射中除中央明条纹外的其他明条纹并不等宽，而是随着与中央明纹距离的增大而变窄，直至最后消失。探讨理论计算和仿真实验的差异可以作为光衍射部分教学的拓展。

经过分析得到，当光束发生衍射时，并不是所有的光束都偏折，而是每一个偏转角内仅有一定量的光偏折，偏转角越大，光程越大，到达屏幕的光强减小，由于外围明纹的光强越来越小，暗纹与明纹的边界线渐渐变暗而难以分清，因此经常错误的认为明条纹越来越细，直至消失。在单缝衍射的光强分布图中也可以发现，离中央明纹变远，明条纹的宽度没有变化，只是对应的光强减弱，进而造成明暗分界线模糊，误认为明纹变窄[7，8]。

将单缝衍射的现象拓展到多边形的光阑用于教学，从理论关系可以得到，不同形状的光阑对应不同状态的衍射情况，如图1所示。三角形光阑对应6条衍射光芒，正方形光阑对应4条衍射光芒，正七边形光阑对应14条衍射光芒，以此类推，在教学中演示光阑形状与衍射光芒个数的关系。这种现象的产生主要是由光阑的形状决定的，“哪里有压迫，哪里就有反抗”，光阑的每个边都会发生衍射现象，因此不同的光阑对应的衍射现象一般不相同。

从光阑的衍射现象可拓展到微小的障碍物的衍射现象，以此来丰富光衍射部分的课堂教学。

（三）讨论参数对衍射的影响

单缝夫琅禾费衍射中，缝宽a越小，衍射现象越明显。这仅仅是对单缝而言，对于其他形状的光阑，可以引导学生讨论，是否会有光阑的通光孔径越小、衍射现象越明显的结论。可以在课堂上演示用多种不同参数的正七边形光阑产生衍射并拍摄图像，从左到右，光阑的最大通光直径可选取2.27mm、2.50mm、2.78mm、3.13mm、3.57mm、3.85mm、4.55mm、5.00mm、5.56mm、6.25mm、7.04mm、7.94mm、8.93mm、10.00mm、12.50mm，相邻两者之间通光量为两倍关系，获得如图2所示的图像。从图中可以明显看到，随着光阑通光孔径的增大，衍射现象越来越弱，因此对光阑而言，其通光孔径越小，衍射现象越明显。

在单缝衍射实验中，理论上我们得到的两条星芒会有明暗纹交替分布，但是在实验拍摄中却未发现明暗条纹。在课堂实践中使用白光光源进行拍摄，发现不存在明暗纹。通过分析发现，在衍射过程中，每种波长的光都会发生衍射现象。波长大的衍射明纹可能会将波长小的衍射暗纹覆盖，进而我们观察不到明暗纹分布。

二、漫反射现象

（一）漫反射现象教学

漫反射是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。漫反射效果越强，在单位体积处接收到的光强就越弱。对于有色粉末而言，例如铁粉、铜粉等，随着研磨程度的增加，颗粒直径越来越小，当光照射到粉末表面时，漫反射增强，进入人眼的光强减弱，因此会认为粉末的表观颜色变暗了[9]。在教学中通过实例详细解释漫反射现象，让学生对这一现象有初步的了解。

（二）漫反射现象教学创新与拓展

通过课堂演示让学生从感官上对漫反射现象有深刻的理解，进一步拓展，研究影响漫反射的参数。对于有色粉末，研磨程度越高，其表观颜色越深。课堂演示150目与800目铜粉末表观颜色，并将二者进行对比，得到800目的颜色深于150目铜的表观颜色，得出材料的种类影响漫反射。同时，对不同研磨程度的铁粉进行探究，通过实验发现，其研磨程度与粉末表观颜色深度并非正相关，而是在一定研磨程度后，其表观颜色才会随研磨程度的增加颜色加深，以此引导学生发现问题并解决问题。

经过分析发现，在铁粉颗粒相对较大时，在发生漫反射的同时带有一定的镜面反射，镜面反射会影响粉末表观颜色部分像素点的RGB值。随着研磨程度增加，镜面反射影响程度减小，进而消失。

利用软件对不同研磨程度的铁粉的表观颜色进行RGB分析，分析得出40目与150目铜粉的部分像素RGB分布不均匀，同时对不同程度的铁粉进行电镜扫描，在40目时，形状极其不规则；在800目之后，表面已经较为圆滑，随着研磨增加，颗粒趋向于球形，镜面反射消失，全部转化为漫反射。

利用实验和分析引导学生得出，对于有色粉末，其表观颜色受漫反射的影响。在一定研磨程度内，随着研磨程度增加，漫反射增强，粉末表观颜色变深。

三、结语

为改善光的衍射和漫反射现象课程内容的教学效果，提高人才培养素质，增强课堂知识与实际实验的结合度，通过提出理论学习与实际实验相异的现象，再次运用所学知识对相异的现象进行解释。在实验分析中，多用生活中的例子对其进行解释，使得理论知识易被学生理解和接受，对提高学生对光的衍射和漫反射知识的掌握具有重要的意义。

参考文献：

[1]赵凯华，钟锡华.光学（上册）[M].北京大学出版社，1984.

[2]孙伟民.单缝衍射图样的计算机仿真与分析[J].工科物理，1999，（02）.

[3]Wikipedia：Diffractionspike[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_spike

[4]Wikipedia：Diffraction[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction

[5]Wikipedia：Diaphragm（optics）[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diaphragm_（optics）

[6]赵言诚，姜海丽，刘艳磊.大学物理教程[M].北京：高等教育出版社，2014.

[7]石順祥，王学恩，马琳.物理光学与应用光学[M].第三版.西安电子科技大学出版社，2000.

[8]黄金仙.光的衍射应用研究[J].通讯世界，2015，（24）.

[9]吴杰.浅析高中生物必修教材中实验的显色原理[J].赤子（上中旬），2014，（09）：115-116.