資源簡介

3.5 光的衍射
教材分析
本節課是教材人教版（2019）第四章第五節內容。光的衍射現象進一步證明了光具有波動性，對發展光的波動理論起了重要的作用。
教材講述光的衍射的思路是：首先提出問題，讓學生思考一般情況下不容易觀察到光的衍射現象的原因；然后再觀察衍射實驗，說明光的衍射現象及發生衍射的條件。由于衍射現象產生的物理過程分析起來比較復雜，教材只進行了定性分析。
在分析產生明顯衍射現象條件的教學中，教師可以通過復習機械波衍射的知識，使學生認識光發生明顯衍射現象的條件：障礙物或孔的尺寸比波長小，或者跟波長差不多。在這里，教師可以安排一個討論環節，先讓學生體會“明顯”、“差不多”的含義，再指明由于光的波長很短，要產生明顯的衍射現象，障礙物或小孔必須很小。
做好光的衍射現象實驗在本節課的教學中至關重要，它是學生認識光的衍射的基礎。沒有條件的學校，應盡量通過錄像將這些現象展示給學生，引發學生的思考。
課時安排
1課時
教學目標
(1)了解光的衍射概念及產生明顯衍射現象的條件。
(2)知道衍射、衍射光柵在生產生活以及科學技術中的應用，了解科學、技術和社會的關系。
(3)通過光的衍射的學習，對光的直線傳播現象提出質疑，會從不同角度思考物理問題。
教學重難點
教學重點
光的衍射現象、光的衍射條件。
教學難點
衍射條紋成因的初步說明。
教學方法
1.通過機械波衍射現象類比推理，提出光的衍射實驗觀察設想。
2.通過觀察分析實驗，歸納出產生明顯衍射現象的條件以及衍射是光的波動性的表現。
3.通過對比認識衍射條紋的特點及變化，加深對衍射圖像的了解。
教學用具
多媒體課件、光的干涉衍射演示儀、激光干涉衍射演示儀(及相關的配件)、單絲白熾燈、紅燈、藍色燈，自制的單縫衍射片、光波圓孔衍射管、游標卡尺、激光發生器、小圓屏等。
教學過程
新課引入
教師活動：分別展示富蘭克林用X射線拍攝的DNA晶體的照片、DNA的雙螺旋結構。
教師口述：1953年2月，沃森和克里克看到了一張十分漂亮的照片，這張照片激發了他們的靈感，從而提出了DNA的雙螺旋結構。DNA雙螺旋結構的發現不僅意味著探明了DNA分子的結構，更重要的是它還提示了DNA的復制機制。DNA雙螺旋結構的發現開啟了分子生物學時代，使遺傳的研究深入到分子層次，人們清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑。是什么照片這么神秘能夠激發沃森和克里克的靈感呢？這是富蘭克林于1951年11月拍攝的一張DNA分子的X射線衍射圖樣的照片。什么是光的衍射，它有哪些應用？下面我們就來研究這個問題。
新課教學
教師提出問題：如何解決上述問題。并引導學生設計實驗方案。
一 光的衍射
1.1 單縫衍射
(1)教師用光的干涉、衍射儀做單色光的單縫衍射，或用激光源來做單縫衍射實驗。實驗過程中展示縫較寬時光沿著直線傳播，陰影區和亮區邊界清晰；減小縫寬，在縫較窄時陰影區和亮區的邊界變得模糊；繼續減小縫寬光明顯地偏離直線傳播進入幾何陰影區，屏幕上出現明暗相間的衍射條紋。
(2)學生動手觀察單縫衍射：
教師分發單縫衍射觀察片，每片觀察片刻有兩條寬度不同的單縫。讓學生通過單縫分別觀察設在教室前、后的紅色燈、藍色燈的衍射現象；讓學生仔細觀察：
同一縫紅色衍射條紋與藍色衍射條紋是否有區別？
同一種色光，單縫寬度不同衍射條紋是否有區別？
然后讓學生通過單縫觀察白熾燈的衍射圖樣，引導學生分析歸納最后總結規律：
波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大。
單縫不變時，光波波長的(紅光)中央亮紋寬，條紋間隔大。
白熾燈的單縫衍射條紋為中央亮兩側為彩色條紋。
【也可直接讓學生觀察多媒體課件中展示的衍射圖樣進行總結】
1.2圓孔衍射
(1)圓孔衍射實驗
教師用激光干涉、衍射儀做圓孔衍射實驗，實驗過程中展示孔較大時，光沿直線傳播，陰影區和亮區邊界清晰，逐漸減小圓孔大小，當圓孔減小到一定程度時出現環狀明暗相間同心圓的衍射圖樣。
(2)教師將“光波衍射”管發給學生，讓學生將小孔對準教室前、后的紅色燈光源、藍色燈光源，觀察圓孔衍射圖樣。
(3)教師給激光干涉、衍射儀裝上儀器配備的不同形狀小孔，演示光的衍射現象；讓學生觀察、記錄、描繪各式的衍射圖樣，讓學生認識到光的衍射是一個極普遍的物理現象。
1.3分析
當光傳播到狹縫時，可把狹縫S看成許許多多個點光源，這些點光源發出的光在空間傳播相遇疊加決定了屏幕上各點位置的明暗情況。
1.4 其他衍射
教師向學生指出：不只是狹縫和圓孔，各種不同形狀的物體都能使光發生衍射，以至使影的輪廓模糊不清，其原因是光通過物體的邊緣而發生衍射的結果。歷史上曾有一個著名的衍射圖樣——泊松亮斑。
(1)教師讓學生閱讀科學漫步中泊松亮斑趣事。
(2)教師用激光干涉衍射儀中相應的配件演示“泊松亮斑”實驗，讓學生腦海中對“泊松亮斑”圖樣有深刻印象。
(3)讓學生用自制的光波衍射管前端換上小圓屏并對準光源觀察，在管內除看到光環外還可看到在不透明小圓屏背后陰影中心有一亮斑——泊松亮斑。
二 衍射光柵
教師指導學生閱讀教材有關內容。了解衍射光柵的制作原理。
典題剖析
例1 (多選)以下關于光現象的說法正確的是( )
A．一個面光源發出的光經較大的障礙物后在屏上的影有本影和半影，這是光發生衍射的結果
B．把兩支鉛筆捏緊，通過中央的細縫去觀察日光燈，會看到彩色條紋，這是光發生衍射的結果
C．白光通過單縫衍射時，偏離中央亮紋最遠的是紅光
D．一束平行白光經凸透鏡折射后，在其后的屏上也會看到彩色的亮環，這是光發生衍射的結果
答案：BC
解析：選項A是由光的直線傳播產生的；選項B是光的衍射產生的；選項C是因為白光中紅色光的波長最長，亮紋最寬，故偏離中央亮紋最遠；選項D是色散現象。
例2 (多選)在單縫衍射實驗中，下列說法中正確的是( )
A. 將入射光由黃光換成綠光，衍射條紋間距變窄
B. 使單縫寬度變小，衍射條紋間距變窄
C. 換用波長較長的光照射，衍射條紋間距變寬
D. 增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距變寬
答案：ACD
解析： 當單縫寬度一定時，波長越長，衍射現象越明顯，即光偏離直線傳播的路徑越遠，條紋間距也越大；當光的波長一定時，單縫寬度越小，衍射現象越明顯，條紋間距越大；光的波長一定、單縫寬度也一定時，若增大單縫到屏的距離，衍射條紋間距也會變寬。
例3 觀察單縫衍射現象時，把縫寬由0.2 mm逐漸增大到0.8 mm，看到的現象是( )
A．衍射條紋的間距逐漸變小，衍射現象逐漸不明顯
B．衍射條紋的間距逐漸變大，衍射現象越來越明顯
C．衍射條紋的間距不變，只是亮度增強
D．以上現象都不會發生
答案：A
解析：由單縫衍射實驗的調整與觀察可知，狹縫寬度越小，衍射現象越明顯，衍射條紋越寬，條紋間距也越大，本題的調整是將縫調寬，現象向相反的方向發展，故選項A正確。
例4 圖為紅光或紫光通過雙縫或單縫所呈現的圖樣，則( )
A．甲為紅光的衍射圖樣 B．乙為紫光的干涉圖樣
C．丙為紅光的衍射圖樣 D．丁為紫光的干涉圖樣
答案：BC
解析：當單色光通過雙縫時形成的干涉圖樣為等間距的，而通過單縫時的圖樣是中間寬、兩邊窄的衍射圖樣，因此甲、乙為干涉圖樣，而丙、丁為衍射圖樣．由于紅光的波長較長，干涉圖樣中相鄰條紋間距較大，而紫光的波長較短，干涉圖樣中相鄰條紋間距較小，因此選項B、C正確。
課堂小結
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