“光的衍射”教学设计

苏米 黄致新 张天宇

摘   要：该教学设计以实验为基础，利用四个环环相扣、简便易做、现象明显的实验，让学生在欣赏美妙的光衍射图样的同时学习物理知识，明确光发生明显衍射的条件，进一步认识光的波动性，力求突破教学重难点。

关键词：光的衍射;教学设计;光学实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）7-0028-3

在中学物理教学中，让学生真正接受“光是一种波”的观念始终是一个教学重难点。学生在生活中难以观察到光的衍射现象，生活经验带给学生“光一定沿直线传播”的错误前概念，因此，要纠正学生这一认知，在“光的衍射”课堂教学中，让学生亲眼看到光的衍射现象至关重要。本教学设计以四个环环相扣的实验为主线，让学生通过观察光的衍射现象，確立光是一种波的观念，通过观察不同的衍射图样，形成衍射图样和障碍物形状有关的观念。同时，帮助学生在几何光学和波动光学的观念转换中，体会对于同一物理概念的多角度物理视角。

1    教学用具及实验准备

教学用具：注射器、铁架台、绿色激光笔[1]（功率为150 mW左右，人眼对绿光反应最强烈，白天也可以观察到明显现象，用红光则很难观察到现象）、可调单缝、光栅、筷子、头发丝、花粉、水。

实验准备：（1）将注射器针尖磨平，以免针尖上的液滴中花粉微粒都朝一个方向运动，影响实验效果;（2）配制花粉悬浊液。经过多次实验，发现向200 mL温水中加一粒碾碎的花粉时，观察到的效果最好;（3）将激光笔和装有花粉悬浊液的注射器固定在铁架台上，按压注射器，在针尖处产生一个尽可能大的液滴，调整激光笔的角度以及墙壁、注射器和激光笔的相对位置，使激光刚好通过大液滴照到墙壁上，尽量使产生的图样清楚处于靠近墙顶的墙壁，以便全班学生观察[2]，实验器材如图1所示。

2    教学流程

教学流程如图2所示。

3    教学过程

3.1    实验激疑，导入新课

“神奇的圆环”实验：用激光笔照射液滴，通过液滴的放大作用，墙上出现神奇的现象，如图3所示。

通过神奇的实验现象营造课堂氛围，给学生造成视觉冲击，学生观察到很多运动的小圆形，这些小圆形就是花粉微粒的影子，而小圆形周围有一圈圈神奇的圆环，这些圆环到底是什么呢？学生产生浓厚兴趣，期待在接下来的课堂中找到谜底。

3.2    回顾旧知，做好铺垫

师：什么是波的衍射？同学们能举例说明吗？

生：波可以绕过障碍物继续传播的现象，例如在墙内能听见墙外的人讲话，说明声波绕过墙继续传播，发生了衍射。

师：用PPT展示水波衍射的动图，把孔由小变大，提醒学生观察衍射现象的变化，继而引导学生回顾：波发生明显衍射的条件是什么？

生：障碍物或孔的尺寸与波长具有比拟性。

3.3    引出问题，猜想验证

师：我们说，光也是一种波，为什么在生活中我们难以观察到光的衍射呢？或者说光产生明显衍射的条件是什么呢？同学们能不能根据波的衍射条件猜想一下？

生：光的波长太短了，生活中物体尺寸都比它大得多，所以很难看到光的衍射，但是如果物体尺寸与光波长具有比拟性，也许就能观察到明显的衍射了。

师：实验是进行科学研究的重要手段。接下来我们一起用实验来检验这个猜想是否正确。

实验1：用激光分别照射筷子和头发丝，观察墙上的现象。

现象及分析：照筷子时，光的传播被筷子挡住了，光没有绕过筷子继续传播，在墙上看不到光;照头发丝时，光的传播不仅没有被头发丝挡住，光还绕过了头发丝，照到了更宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹，如图4所示，这就是光的衍射现象。

结论1：障碍物尺寸很小时，光能发生明显衍射。

实验2：用激光照射可调单缝，实验装置如图5所示，将缝由窄慢慢调宽，观察墙上图样变化。

现象及分析：缝很窄时，光通过缝后，偏离了直线传播方向，照到了相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹，光发生了明显的衍射现象;随着缝宽增大，衍射现象越来越不明显;当缝宽增大到一定程度，衍射现象就观察不到了，光沿直线通过缝，在墙上产生一条和缝宽相当的亮线。实验现象如图6所示。

结论2：缝的尺寸很小时，光能发生明显衍射。

小结：

以上两组实验说明：当障碍物或缝较大时，衍射现象不明显;当障碍物或缝较小，与光波波长具有比拟性时，衍射现象就十分明显。所以猜想是正确的，光波产生明显衍射的条件是障碍物或缝的尺寸与波长具有比拟性。

师：光的衍射现象是不是与前面学习的“光在同种均匀介质中沿直线传播”矛盾[3]？

学生讨论后回答：不矛盾，光的衍射现象让我们更全面地认识了光的传播规律。一方面，光在理想的同种均匀介质中沿直线传播;另一方面，障碍物尺寸比光波波长大得多时，衍射现象不明显，也可以认为光沿直线传播，但是，当障碍物尺寸与光波波长具有比拟性时，衍射现象十分明显，此时就不能说光沿直线传播了。

3.4    实验探究，总结揭秘

师：不只是障碍物和条状的缝，不同形状的孔也可能使光发生明显衍射。

实验3：用激光依次照射光栅下方正方形、正六边形和圆形的小孔，如图7所示，观察墙上的图样变化。

学生观察衍射图样，如图8所示，发现衍射图样与光通过的小孔形状有关。

师：我们今天是不是还见过类似光通过圆形小孔的衍射图样？

生：神奇的圆环实验！

师：绿光的波长是532 nm左右，又由于花粉微粒在做布朗运动，布朗粒子的尺寸在10-6 m数量级，所以可以说绿光的波长和布朗粒子的尺寸具有比拟性，那么这些“神奇的圆环”是什么现象呢？

生：光的衍射！

3.5    拓展延伸，情感熏陶

师：既然衍射图样与光通过的小孔形状有关，那能不能通过衍射图样，来推测小孔形状或者障碍物的结构呢？

生：由实验可知，衍射图样与小孔形状是一一对应的，因此，可以由衍射图样推知小孔形状。

老师介绍DNA双螺旋结构的发现过程：富兰克林拍摄了DNA晶体的X射线衍射图样，沃森和克里克看到过弹簧的衍射图样，他们发现这两个图样非常像，于是猜想DNA就是类似弹簧的螺旋结构。经过仔细研究，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，并因此获得了诺贝尔奖。同学们在生活中一定要做一个有心人，多观察、多思考，在学业方面一定会取得很大的进步，说不定下一个获诺贝尔奖的就是你们！

4    教学反思

本节课以神奇的实验现象引入，逐步引导学生发现问题、分析问题、提出猜想、实验检验猜想并解决问题，力求在每一个教学环节中，把提高学生科学素养的目标落到实处。首先，回顾波的衍射，由于理论上光是一种波，而生活中难以看见光的衍射，学生产生认知冲突。引导学生提出光产生明显衍射条件的猜想，用两组实验验证学生的猜想，让学生经历探究的过程，培养用实验解决物理问题的思想和方法，同时也强化了学生对光是一种波的理解，突破教学重难点。揭秘神奇的圆环现象，让学生视觉上感受物理的奇、趣、美，在欣赏美的过程中发现衍射图样与光通过的小孔形状有关，培养学生观察、比较的能力，最后用科学家的故事鼓励学生在生活中做一个有心人，培养学生的思考意识和科学情感。

（栏目编辑    邓   磊）