光学·光的衍射·教案
一、教学目标
1．认识光的衍射现象，使学生对光的波动性有进一步的了解．
2．了解光产生明显衍射的条件，及衍射图样与波长、缝宽的定性关系．
3．通过观察实验培养学生观察、表述物理现象，概括其规律特征的能力，学生亲自做实验培养学生动手的实践能力．
4．通过对“泊松亮斑”的讲述，使学生认识到任何理论都必须通过实践检验，实验是检验理论是否正确的标准．
?二、重点、难点分析
1．通过众多的光的衍射实验事实和衍射图片来认识光的波动性．
2．光的衍射现象与干涉现象根本上讲都是光波的相干叠加．
3．正确认识光发生明显衍射的条件．
4．培养学生动手实验能力，教育学生重视实验，重视实践．
?三、教具
1．演示水波衍射现象．
频率可调的振源，发波水槽及相应配件，水波衍射图样示意挂图．
2．演示光的单缝、圆孔衍射现象．
光的干涉、衍射演示仪，激光干涉、衍射演示仪(及相关的配件)，单丝白炽灯、红灯、蓝色灯，自制的单缝衍射片，光波圆孔衍射管，游标卡尺．
四、主要教学过程
(一)引入
光的干涉现象反映了光的波动性，而波动性的另一特征是波的衍射现象，光是否具有衍射现象呢？
提出问题：什么是波的衍射现象？
演示水波的衍射现象，让学生回答并描述衍射现象的特征，唤起学生对机械波衍射的回忆，然后再举声波的衍射例子．指出一切波都能发生衍射，通过衍射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多．
水波、声波都会发生衍射现象，那么光是否也会产生衍射现象？衍射图样可能是什么样呢？
(二)光的单缝衍射
(1)单缝衍射实验．
教师用光的干涉、衍射仪做单色光的单缝衍射，或用激光源来做单缝衍射实验．实验过程中展示缝较宽时：光沿着直线传播，阴影区和亮区边界清晰；减小缝宽，在缝较狭时：阴影区和亮区的边界变得模糊；继续减小缝宽光明显地偏离直线传播进入几何阴影区，屏幕上出现明暗相间的衍射条纹．
(2)简单分析衍射的形成．
展示衍射现象实验示意图，当光传播到狭缝时，可把狭缝S看成许许多多个点光源，这些点光源发出的光在空间传播相遇叠加决定了屏幕上各点位置的明暗情况．
(3)单缝衍射条纹的特征．(单色光的衍射图样)
①中央亮纹宽而亮．
②两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗．
(4)学生动手观察单缝衍射．
教师分发单缝衍射观察片，每片观察片刻有二条宽度不同的单缝．让学生通过单缝分别观察设在教室前、后的红色灯、蓝色灯的衍射现象；让学生仔细观察：①同一缝红色衍射条纹与蓝色衍射条纹是否有区别？②同一种色光，单缝宽度不同衍射条纹是否有区别？
然后让学生通过单缝观察白炽灯的衍射图样．
引导学生分析归纳最后总结规律：
①波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大．
②单缝不变时，光波波长的(红光)中央亮纹越宽，条纹间隔越大．
③白炽灯的单缝衍射条纹为中央亮两侧为彩色条纹，且外侧呈红色，靠近光源的内侧为紫色．
(三)光的圆孔衍射
(1)圆孔衍射实验．
教师用激光干涉衍射仪做圆孔衍射实验，实验过程中展示孔较大时，光沿直线传播，阴影区和亮区边界清晰，逐渐减小圆孔大小，当圆孔减小到一定程度时出现环状明暗相间同心圆的衍射图样．
(2)教师分发给学生手持“光波衍射”管，让学生将小孔对准教室前、后的红色灯光源、蓝色灯光源，观察圆孔衍射图样．
(3)教师用激光干涉衍射仪装上仪器配备的不同形状小孔，演示光的衍射现象；让学生观察、记录、描绘各式的衍射图样，让学生认识到光的衍射是一个极普遍的物理现象．
(四)演示：“泊松亮斑”．
教师向学生指出：不只是狭缝和圆孔，各种不同形状的物体都能使光发生衍射，以至使影的轮廓模糊不清，其原因是光通过物体的边缘而发生衍射的结果．历史上曾有一个著名的衍射图样——泊松亮斑．
(1)然后教师介绍这个一波三折的历史故事．
继而教师用激光干涉衍射仪中相应的配件演示“泊松亮斑”实验，让学生脑海中对“泊松亮斑”图样有深刻印象．
指出任何物理理论的正确与否都必须经过实验的检验，实验是检验理论的标准．
(2)让学生用自制的光波衍射管前端换上小圆屏并对准光源观察，在管内除看到光环外还可看到在不透明小圆屏背后阴影中心有一亮斑——泊松亮斑．
(五)课堂小结
1．光的衍射现象进一步证明了光具有波动性．
2．光的衍射现象是光偏离了直线传播方向绕到障碍物阴影区的现象，衍射光强按一定的规律分布，形成明暗相间的条纹，它的规律与缝宽、孔的大小及光的波长有关．
3．对于光产生明显衍射的条件的认识，从上述的一系列衍射实验虽然单缝、小孔和小圆屏的尺寸比光波大得多，仍能看到极好的衍射现象，只是缝或孔的尺寸越小，衍射现象越明显，即障碍物尺寸是波长几百倍时，对光波来说，仍可认为衍射条件中的“差不多”．
实验证明，对波长为λ的光波来说，障碍物或孔的尺寸的数量级在103λ以上时，衍射现象不明显，可按直线传播处理；在102λ～10λ时，衍射现象显著，出现明暗相间的花样；在比波长λ还小时，衍射现象更为明显．
4．光的衍射现象在日常生活中极普遍，鼓励学生用普通的其它材料，例如感应圈两极放电击穿纸片，薄纱……来观察衍射图样，加深对光波动性的认识．
?
自我小测
1关于衍射，下列说法正确的是( )
A．衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的结果
B．双缝干涉中也存在衍射现象
C．一切波都很容易发生明显的衍射现象
D．影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实
2沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于这种情况下( )
A．只有波长较短的一部分光才能到达地面
B．只有波长较长的一部分光才能到达地面
C．只有频率较大的一部分光才能到达地面
D．只有频率较小的一部分光才能到达地面
3如图所示的四个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样( )
4在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝观看远处的线状白炽灯(灯丝或灯管都要平行于狭缝)，可以看到( )
A．黑白相间的直条纹
B．黑白相间的弧状条纹
C．彩色的直条纹
D．彩色弧状条纹
5抽制细丝时可用激光监控其粗细，如图所示，激光束越过细丝时产生的条纹和它通过遮光板上的一条同样宽度的窄缝规律相同，则下列说法正确的是( )
①这是利用光的干涉现象 ②这是利用光的衍射现象 ③如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变粗了
④如果屏上条纹变宽，表明抽制的丝变细了
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
6当游客站在峨眉山金顶背向太阳而立，而前下方又弥漫云雾时，有时会在前下方的天幕上看到一个外红内紫的彩色光环，这就是神奇的“佛光现象”。佛光是一种奇特的自然现象，当阳光照射较厚的云层时，日光射透云层后，会受到云层深处水滴或冰晶的反射，这种反射在穿过云雾表面时，在微小的水滴边缘产生衍射现象。那么，下述现象中与“佛光”现象成因相同的是( )
A．雨后的彩虹
B．孔雀羽毛在阳光下色彩斑斓
C．路面上的油膜阳光下呈现彩色
D．阳光照射下，树影中呈现一个个小圆形光斑
7在一个发光的小灯泡和光屏之间放一个大小可以调节的圆形孔屏，在圆孔从较大调至完全闭合的过程中，在屏上看到的现象是( )
A．先是圆形亮区，最后完全黑暗
B．先是圆形亮区，再是圆形亮环，最后完全黑暗
C．先是圆形亮环，最后完全黑暗
D．先是圆形亮环，然后圆形亮区，最后完全黑暗
8用单色光做双缝干涉实验和单缝衍射实验，比较屏上的条纹，正确的是( )
A．双缝干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹
B．单缝衍射条纹是中央宽、两边窄的明暗相间的条纹
C．双缝干涉条纹是中央宽、两边窄的明暗相间的条纹
D．单缝衍射条纹是等间距的明暗相间的条纹
9一束平行单色光，通过双缝后，在屏上得到明暗相间的条纹，则( )
A．相邻的明条纹或暗条纹的间距不等
B．将双缝中某一缝挡住， 则屏上一切条纹将消失，而出现一亮点
C．将双缝中某一缝挡住，屏上出现间距不等的明、暗条纹
D．将双缝中某一缝挡住，屏上的明、暗条纹位置不变，但亮度减半
10让烛光照射到一块遮光板上，板上有一个可自由收缩的三角形孔，当此三角形孔缓慢地由大收缩变小直到闭合时，试分析在孔后的屏上将先后出现的现象(遮住侧面光)。
答案
1解析：衍射图样是很复杂的光波的叠加现象，双缝干涉中光通过两个狭缝时均发生衍射现象，一般现象中既有干涉又有衍射。一切波都能发生衍射，但要发生明显的衍射，需要满足障碍物的尺寸小于或相当于波长的条件。
答案：AB
2解析：据光发生明显衍射的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光线才能到达地面，据λ＝知，到达地面的光是频率较小的部分。故B、D正确。
答案：BD
3解析：泊松亮斑为不透光的圆盘阴影，中心有一亮斑，而周围还有明暗相间的圆环，故B正确。图A小孔较大，没发生明显的衍射。D小孔较小，发生了小孔衍射，C为干涉条纹。
答案：B
4解析：白炽灯(或日光灯管)发出的光是复色光，其中各种色光的波长不同，产生的单缝衍射的图样中条纹宽度和间距都不相同，因此各单色光的亮纹或暗纹不能完全重叠在一起，所以成为彩色条纹。因是狭缝，所以是彩色直条纹，故选项C正确，A、B、D错误。
答案：C
5解析：上述现象符合光的衍射产生的条件，故②正确；由衍射产生的条件可知：丝越细衍射现象越明显，故④也正确。
答案：B
6解析：“佛光”现象属于衍射现象，孔雀羽毛色彩斑斓也属于衍射现象，B项正确。A项属于光的折射，C项属于光的干涉，D项属于小孔成像，故A、C、D均不正确。
答案：B
7解析：在圆孔由大到小调节过程中，当孔较大时，光沿直线传播，在屏上得到圆形亮斑；当孔的直径减小到与光波的波长相近时，产生光的衍射现象，屏上将出现明、暗相间的亮环；当孔继续减小到完全闭合，没有光到达屏上时，屏上完全黑暗。
答案：B
8解析：根据双缝干涉和单缝衍射的条纹特征回答。
答案：AB
9解析：双缝干涉实验中明、暗条纹是等间距的，如果挡住一缝则变成单缝衍射，这时的条纹中央部分较宽，不是等间距的。故选项C正确。
答案：C
10解析：当三角形孔较大时，屏上出现一个三角形光斑，随着三角形缓慢地收缩，光斑逐渐变小；当三角形孔小到一定程度时，屏上会出现倒立的烛焰；继续使三角形孔缓慢收缩，可以观察到小孔衍射图样；当孔闭合时，屏上就会一片黑暗。
答案：见解析
