【核心素养】4.5 光的衍射 教学设计
文档属性
| 名称 | 【核心素养】4.5 光的衍射 教学设计 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2025-03-03 19:10:05 | ||
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文档简介
第5节 光的衍射
教学设计
学生在前述章节中已经学习了机械波的衍射现象，但是机械波的衍射现象在生活中很容易观察到，而光的衍射现象在生活中不易察觉到，由于光的衍射实验现象在教室里可视度很低，因此大部分教学中光的衍射现象都是通过图片的形式展示给学生；本节课设计了较多的教师演示实验和学生分组实验，教学中以光的衍射现象的实验为线索，运用观察、类比等多种教学方法认识光的衍射现象以及光的明显衍射现象的条件，并进一步通过实验了解光的衍射现象在现代科技中的应用。
教学目标与素养
【物理观念】了解光发生明显衍射现象的条件，知道衍射条纹与干涉条纹的区别；
【科学思维】通过观看演示图片及演示视频，思考光发生衍射现象的本质，用科学类比的方法研究光的衍射现象与光的干涉现象的共同点与异同点；
【科学探究】结合演示图片及演示视频学生分组探究光发生明显干涉现象的条件，并探究单缝衍射、圆孔衍射以及圆板衍射图样的特征。
【科学态度与责任】能够将所学的知识应用在生活中，在生活中发现物理现象，用所学的物理知识解释生活中的物理现象，在科学研究中必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度。
教学重点
【教学重点】认识光的明显衍射的条件，知道衍射条纹与缝宽的关系，能够区分单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射图样，并能区分单缝衍射与双缝干涉条纹。
【教学难点】通过众多光的衍射实验事实来认识光的波动性；
【引入新课】
问题1：什么是波的衍射现象？
波在它传播的方向上遇到障碍物或孔时，波绕到障碍物阴影里去继续传播的现象叫波的衍射。
问题2：发生明显衍射现象的条件是什么？
障碍物或孔的尺寸比波长小或者跟波长差不多就能发生明显的衍射现象。
水波的衍射：
既然光是一种波,为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象,而常常看到的是光沿着直线传播的呢
问题：
我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射。例如，声音能够绕过障碍物传播。既然光也是一种波，为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说“光沿直线传播”呢？
【进行新课】
探究点一、光的衍射
定义：光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径绕到障碍物后面
继续传播的现象叫做光的衍射。
发生明显衍射现象的条件：
障碍物或孔的尺寸小于光的波长或者和光的波长差不多。
可见光的波长范围：
10－6m～10－7m，由发生明显衍射现象的条件可知，很难观察到光的衍射现象。
探究点二、常见的光的衍射现象
在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。
这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。图是在一次实验中拍摄的屏上亮条纹的照片，上图的狭缝较窄，衍射后在屏上产生的中央亮条纹较宽。
单缝衍射
单色光衍射条纹的特点
①中央条纹亮而宽； ②两侧条纹较窄、较暗；③条纹具有对称性；
条纹间距的变化规律
①缝越窄，中央条纹越宽，条纹间距越大；
②波长越长,中央亮纹越宽,条纹间距越大；
③缝屏间距越大，中央亮纹越宽，条纹间距越大；
如果用白光做上述实验，得到的条纹是彩色的（图）。这是因为白光中包含了各种颜色的光，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了。
白光的单缝衍射条纹
白光的衍射条纹的特点
①中央条纹为白色；②两侧为彩色条纹；③条纹具有对称性；
圆孔衍射
衍射图样特点：明暗相间的环状条纹，中央为圆形亮斑。
（1）单色光的圆孔衍射图样中央白色亮纹亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环，越向外,亮环亮度越低；
（2）白光的圆孔衍射图样中央亮纹为白色，周围是彩色
圆环。
圆板衍射—泊松亮斑
用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑。
衍射图样特点：
（1）明暗相间的不等距的同心圆环，圆形阴影中心一个亮斑（泊松亮斑）。
（2）泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
与圆孔衍射图样比较：
（1）均是明暗相间的环形条纹，中心均有亮斑。
（2）圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小。
（3）圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，
圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小。
（4）圆孔衍射图样的背景是黑暗的，而圆板衍射图样中的背景是明亮的。
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄．
(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍
射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．
双缝干涉与单缝衍射的比较
探究点二、衍射光栅
单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。因此，无论从测量的精确度，还是从可分辨的程度上说，单缝衍射都不能达到实用要求。
实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的。它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅（图 ）。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。
透射光栅
衍射光栅
(1)结构
由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．
(2)衍射图样特点
与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．
科学漫步
泊松亮斑趣事
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。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。
当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。
但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑（图 ），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，也称为阿拉果亮斑。
泊松亮斑
X 射线衍射与双螺旋
晶体中原子的排列是规则的，原子间距与 X 射线波长接近。这使得 X 射线照射在晶体上会发生明显的衍射现象。衍射图样中斑点的强度和位置包含着有关晶体的大量信息。因此，人们可以利用 X 射线衍射探测晶体的结构（图 ）。
1912 年，德国科学家劳厄观测到了这种衍射现象。在当时人们并不确信 X 射线是一种电磁波，也不确信晶体是由周期性排列的原子组成的。劳厄的观测，同时证实了 X射线的波动性和晶体内部的原子点阵结构，被爱因斯坦誉为物理学中最美的实验。劳厄因此获得了 1914 年诺贝尔物理学奖。之后，英国物理学家布拉格父子深入研究了利用 X 射线测量和分析晶体结构的方法。他们的工作奠定了这一技术的实验和理论基础，为此，布拉格父子共同获得了 1915 年诺贝尔物理学奖。今天，X 射线衍射已经成为人们探测晶体和大分子结构的标准技术手段之一，被广泛应用于物理学和生物学等许多领域。这一技术所带来的最重要成果之一，就是 DNA 双螺旋结构的发现。
在 20 世纪 50 年代，生物学家已经知道 DNA 是细胞中携带遗传信息的物质，下一步就是要搞清楚 DNA 的结构，从而确定它的化学作用。从 1951 年开始，英国物理学家威尔金斯和富兰克林研究了 DNA 对 X 射线的衍射，获得了一系列 DNA 纤维的X 射线衍射图样（图 ）。英国卡文迪什实验室（主任为小布拉格）的美国生物学家沃森和英国生物学家克里克则根据这些数据提出了 DNA 的双螺旋结构模型。这是生物学史上划时代的事件。它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。沃森、克里克和威尔金斯因此获得了 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖。
X 射线晶体衍射实验示意图 富兰克林使用 X 射线拍摄的晶体
巩固练习
1、声波能绕过一般建筑物，而光波却不能，这是因为（ ）
A．光波传播速度太大，偏离直线不明显
B．声波传播速度小，而光波传播速度大
C．建筑物对声波吸收少，而对光波吸收多
D．声波波长长，容易产生衍射；光波波长短，不易产生衍射
【答案】D
2、对于单缝衍射实验现象，以下正确的是（ ）
A．缝的宽度越小，中央亮条纹的宽度越窄
B．缝的宽度越小，中央亮条纹的宽度越宽
C．缝的宽度越大，衍射现象越明显
D．入射光的频率越大，衍射现象越明显
【答案】B
3、一个不透光的薄板上有两条平行的窄缝，有一频率单一的红光通过两窄缝在与薄板平行的屏上呈现明暗相间的间隔均匀的红色条纹，若将其中一窄缝挡住让另一缝通过红光，则在屏上可观察到（ ）
A．明暗与原来相同，间隔均匀的红色条纹
B．明暗与原来不相同，间隔不均匀的红色条纹
C．一条红色的条纹
D．既无条纹，也不是一片红光，而是光源的像
【答案】B
4、用单色光通过小圆盘和小圆孔做衍射实验时，在光屏上得到衍射图形，它们的特征（ ）
A．用小圆盘时中央是暗的，用小圆孔时中央是亮的
B．中央均为亮点的同心圆形条纹
C．中央均为暗点的同心圆形条纹
D．用小圆盘时中央是亮的，用小圆孔时中央是暗的
【答案】B
5、（多选）某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点（ ）
A.若狭缝与灯丝平行，衍射条纹与狭缝平行
B.若狭缝与灯丝垂直，衍射条纹与狭缝垂直
C.衍射条纹的疏密程度与狭缝宽度有关
D.衍射条纹的间距与光的波长有关
【答案】ACD
6、下面四种现象中，哪些是光的衍射现象造成的（ ）
A．通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹；
B．不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑；
C．太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子；
D．用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现明暗相间的圆环．
【答案】ABD
教学设计
学生在前述章节中已经学习了机械波的衍射现象，但是机械波的衍射现象在生活中很容易观察到，而光的衍射现象在生活中不易察觉到，由于光的衍射实验现象在教室里可视度很低，因此大部分教学中光的衍射现象都是通过图片的形式展示给学生；本节课设计了较多的教师演示实验和学生分组实验，教学中以光的衍射现象的实验为线索，运用观察、类比等多种教学方法认识光的衍射现象以及光的明显衍射现象的条件，并进一步通过实验了解光的衍射现象在现代科技中的应用。
教学目标与素养
【物理观念】了解光发生明显衍射现象的条件，知道衍射条纹与干涉条纹的区别；
【科学思维】通过观看演示图片及演示视频，思考光发生衍射现象的本质，用科学类比的方法研究光的衍射现象与光的干涉现象的共同点与异同点；
【科学探究】结合演示图片及演示视频学生分组探究光发生明显干涉现象的条件，并探究单缝衍射、圆孔衍射以及圆板衍射图样的特征。
【科学态度与责任】能够将所学的知识应用在生活中，在生活中发现物理现象，用所学的物理知识解释生活中的物理现象，在科学研究中必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度。
教学重点
【教学重点】认识光的明显衍射的条件，知道衍射条纹与缝宽的关系，能够区分单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射图样，并能区分单缝衍射与双缝干涉条纹。
【教学难点】通过众多光的衍射实验事实来认识光的波动性；
【引入新课】
问题1：什么是波的衍射现象？
波在它传播的方向上遇到障碍物或孔时，波绕到障碍物阴影里去继续传播的现象叫波的衍射。
问题2：发生明显衍射现象的条件是什么？
障碍物或孔的尺寸比波长小或者跟波长差不多就能发生明显的衍射现象。
水波的衍射：
既然光是一种波,为什么我们日常生活中观察不到光的衍射现象,而常常看到的是光沿着直线传播的呢
问题：
我们知道，波能够绕过障碍物发生衍射。例如，声音能够绕过障碍物传播。既然光也是一种波，为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射，而且常常说“光沿直线传播”呢？
【进行新课】
探究点一、光的衍射
定义：光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径绕到障碍物后面
继续传播的现象叫做光的衍射。
发生明显衍射现象的条件：
障碍物或孔的尺寸小于光的波长或者和光的波长差不多。
可见光的波长范围：
10－6m～10－7m，由发生明显衍射现象的条件可知，很难观察到光的衍射现象。
探究点二、常见的光的衍射现象
在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。
这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。图是在一次实验中拍摄的屏上亮条纹的照片，上图的狭缝较窄，衍射后在屏上产生的中央亮条纹较宽。
单缝衍射
单色光衍射条纹的特点
①中央条纹亮而宽； ②两侧条纹较窄、较暗；③条纹具有对称性；
条纹间距的变化规律
①缝越窄，中央条纹越宽，条纹间距越大；
②波长越长,中央亮纹越宽,条纹间距越大；
③缝屏间距越大，中央亮纹越宽，条纹间距越大；
如果用白光做上述实验，得到的条纹是彩色的（图）。这是因为白光中包含了各种颜色的光，衍射时不同色光的亮条纹的位置不同，于是各种色光就区分开了。
白光的单缝衍射条纹
白光的衍射条纹的特点
①中央条纹为白色；②两侧为彩色条纹；③条纹具有对称性；
圆孔衍射
衍射图样特点：明暗相间的环状条纹，中央为圆形亮斑。
（1）单色光的圆孔衍射图样中央白色亮纹亮度大，外面是明暗相间的不等距的圆环，越向外,亮环亮度越低；
（2）白光的圆孔衍射图样中央亮纹为白色，周围是彩色
圆环。
圆板衍射—泊松亮斑
用平行光照射一个不透光的小圆盘时，在圆盘阴影中心出现一个亮斑。
衍射图样特点：
（1）明暗相间的不等距的同心圆环，圆形阴影中心一个亮斑（泊松亮斑）。
（2）泊松亮斑图样中的亮环或暗环间距随半径增大而减小。
与圆孔衍射图样比较：
（1）均是明暗相间的环形条纹，中心均有亮斑。
（2）圆孔衍射图样中心亮斑较大，而泊松亮斑较小。
（3）圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大，
圆板衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而减小。
（4）圆孔衍射图样的背景是黑暗的，而圆板衍射图样中的背景是明亮的。
区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
(1)根据条纹的宽度区分：双缝干涉的条纹是等宽的，条纹间的距离也是相等的；而单缝衍射的条纹，中央亮条纹最宽，两侧的条纹变窄．
(2)根据亮条纹的亮度区分：双缝干涉条纹，从中央亮纹往两侧亮度变化很小；而单缝衍
射条纹中央亮纹最亮，两侧的亮纹逐渐变暗．
双缝干涉与单缝衍射的比较
探究点二、衍射光栅
单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。因此，无论从测量的精确度，还是从可分辨的程度上说，单缝衍射都不能达到实用要求。
实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成的。它是由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件。在一块很平的玻璃上刻出一系列等距的平行刻痕，刻痕产生漫反射而不太透光，未刻的部分相当于透光的狭缝，这样就做成了透射光栅（图 ）。如果在高反射率的金属上刻痕，就可以做成反射光栅。
透射光栅
衍射光栅
(1)结构
由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．
(2)衍射图样特点
与单缝衍射相比，衍射条纹的宽度变窄，亮度增加．
科学漫步
泊松亮斑趣事
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。一位年轻的物理学家菲涅耳在论文中按照波动说深入研究了光的衍射。
当时的另一位法国科学家泊松是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现对于一定的波长、在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是荒谬可笑的，并认为这样就驳倒了光的波动说。
但是，就在竞赛的关键时刻，评委阿拉果在实验中观察到了这个亮斑（图 ），这样，泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事件，把这个亮斑称为泊松亮斑，也称为阿拉果亮斑。
泊松亮斑
X 射线衍射与双螺旋
晶体中原子的排列是规则的，原子间距与 X 射线波长接近。这使得 X 射线照射在晶体上会发生明显的衍射现象。衍射图样中斑点的强度和位置包含着有关晶体的大量信息。因此，人们可以利用 X 射线衍射探测晶体的结构（图 ）。
1912 年，德国科学家劳厄观测到了这种衍射现象。在当时人们并不确信 X 射线是一种电磁波，也不确信晶体是由周期性排列的原子组成的。劳厄的观测，同时证实了 X射线的波动性和晶体内部的原子点阵结构，被爱因斯坦誉为物理学中最美的实验。劳厄因此获得了 1914 年诺贝尔物理学奖。之后，英国物理学家布拉格父子深入研究了利用 X 射线测量和分析晶体结构的方法。他们的工作奠定了这一技术的实验和理论基础，为此，布拉格父子共同获得了 1915 年诺贝尔物理学奖。今天，X 射线衍射已经成为人们探测晶体和大分子结构的标准技术手段之一，被广泛应用于物理学和生物学等许多领域。这一技术所带来的最重要成果之一，就是 DNA 双螺旋结构的发现。
在 20 世纪 50 年代，生物学家已经知道 DNA 是细胞中携带遗传信息的物质，下一步就是要搞清楚 DNA 的结构，从而确定它的化学作用。从 1951 年开始，英国物理学家威尔金斯和富兰克林研究了 DNA 对 X 射线的衍射，获得了一系列 DNA 纤维的X 射线衍射图样（图 ）。英国卡文迪什实验室（主任为小布拉格）的美国生物学家沃森和英国生物学家克里克则根据这些数据提出了 DNA 的双螺旋结构模型。这是生物学史上划时代的事件。它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。沃森、克里克和威尔金斯因此获得了 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖。
X 射线晶体衍射实验示意图 富兰克林使用 X 射线拍摄的晶体
巩固练习
1、声波能绕过一般建筑物，而光波却不能，这是因为（ ）
A．光波传播速度太大，偏离直线不明显
B．声波传播速度小，而光波传播速度大
C．建筑物对声波吸收少，而对光波吸收多
D．声波波长长，容易产生衍射；光波波长短，不易产生衍射
【答案】D
2、对于单缝衍射实验现象，以下正确的是（ ）
A．缝的宽度越小，中央亮条纹的宽度越窄
B．缝的宽度越小，中央亮条纹的宽度越宽
C．缝的宽度越大，衍射现象越明显
D．入射光的频率越大，衍射现象越明显
【答案】B
3、一个不透光的薄板上有两条平行的窄缝，有一频率单一的红光通过两窄缝在与薄板平行的屏上呈现明暗相间的间隔均匀的红色条纹，若将其中一窄缝挡住让另一缝通过红光，则在屏上可观察到（ ）
A．明暗与原来相同，间隔均匀的红色条纹
B．明暗与原来不相同，间隔不均匀的红色条纹
C．一条红色的条纹
D．既无条纹，也不是一片红光，而是光源的像
【答案】B
4、用单色光通过小圆盘和小圆孔做衍射实验时，在光屏上得到衍射图形，它们的特征（ ）
A．用小圆盘时中央是暗的，用小圆孔时中央是亮的
B．中央均为亮点的同心圆形条纹
C．中央均为暗点的同心圆形条纹
D．用小圆盘时中央是亮的，用小圆孔时中央是暗的
【答案】B
5、（多选）某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后，总结出以下几点（ ）
A.若狭缝与灯丝平行，衍射条纹与狭缝平行
B.若狭缝与灯丝垂直，衍射条纹与狭缝垂直
C.衍射条纹的疏密程度与狭缝宽度有关
D.衍射条纹的间距与光的波长有关
【答案】ACD
6、下面四种现象中，哪些是光的衍射现象造成的（ ）
A．通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹；
B．不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑；
C．太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子；
D．用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现明暗相间的圆环．
【答案】ABD