资源简介

3.5 光的衍射
教材分析
本节课是教材人教版（2019）第四章第五节内容。光的衍射现象进一步证明了光具有波动性，对发展光的波动理论起了重要的作用。
教材讲述光的衍射的思路是：首先提出问题，让学生思考一般情况下不容易观察到光的衍射现象的原因；然后再观察衍射实验，说明光的衍射现象及发生衍射的条件。由于衍射现象产生的物理过程分析起来比较复杂，教材只进行了定性分析。
在分析产生明显衍射现象条件的教学中，教师可以通过复习机械波衍射的知识，使学生认识光发生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小，或者跟波长差不多。在这里，教师可以安排一个讨论环节，先让学生体会“明显”、“差不多”的含义，再指明由于光的波长很短，要产生明显的衍射现象，障碍物或小孔必须很小。
做好光的衍射现象实验在本节课的教学中至关重要，它是学生认识光的衍射的基础。没有条件的学校，应尽量通过录像将这些现象展示给学生，引发学生的思考。
课时安排
1课时
教学目标
(1)了解光的衍射概念及产生明显衍射现象的条件。
(2)知道衍射、衍射光栅在生产生活以及科学技术中的应用，了解科学、技术和社会的关系。
(3)通过光的衍射的学习，对光的直线传播现象提出质疑，会从不同角度思考物理问题。
教学重难点
教学重点
光的衍射现象、光的衍射条件。
教学难点
衍射条纹成因的初步说明。
教学方法
1.通过机械波衍射现象类比推理，提出光的衍射实验观察设想。
2.通过观察分析实验，归纳出产生明显衍射现象的条件以及衍射是光的波动性的表现。
3.通过对比认识衍射条纹的特点及变化，加深对衍射图像的了解。
教学用具
多媒体课件、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、激光发生器、小圆屏等。
教学过程
新课引入
教师活动：分别展示富兰克林用X射线拍摄的DNA晶体的照片、DNA的双螺旋结构。
教师口述：1953年2月，沃森和克里克看到了一张十分漂亮的照片，这张照片激发了他们的灵感，从而提出了DNA的双螺旋结构。DNA双螺旋结构的发现不仅意味着探明了DNA分子的结构，更重要的是它还提示了DNA的复制机制。DNA双螺旋结构的发现开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。是什么照片这么神秘能够激发沃森和克里克的灵感呢？这是富兰克林于1951年11月拍摄的一张DNA分子的X射线衍射图样的照片。什么是光的衍射，它有哪些应用？下面我们就来研究这个问题。
新课教学
教师提出问题：如何解决上述问题。并引导学生设计实验方案。
一 光的衍射
1.1 单缝衍射
(1)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，在缝较窄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)学生动手观察单缝衍射：
教师分发单缝衍射观察片，每片观察片刻有两条宽度不同的单缝。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：
同一缝红色衍射条纹与蓝色衍射条纹是否有区别？
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：
波长一定时，单缝窄的中央条纹宽，各条纹间距大。
单缝不变时，光波波长的(红光)中央亮纹宽，条纹间隔大。
白炽灯的单缝衍射条纹为中央亮两侧为彩色条纹。
【也可直接让学生观察多媒体课件中展示的衍射图样进行总结】
1.2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)教师将“光波衍射”管发给学生，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)教师给激光干涉、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。
1.3分析
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。
1.4 其他衍射
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)教师让学生阅读科学漫步中泊松亮斑趣事。
(2)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。
(3)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。
二 衍射光栅
教师指导学生阅读教材有关内容。了解衍射光栅的制作原理。
典题剖析
例1 (多选)以下关于光现象的说法正确的是( )
A．一个面光源发出的光经较大的障碍物后在屏上的影有本影和半影，这是光发生衍射的结果
B．把两支铅笔捏紧，通过中央的细缝去观察日光灯，会看到彩色条纹，这是光发生衍射的结果
C．白光通过单缝衍射时，偏离中央亮纹最远的是红光
D．一束平行白光经凸透镜折射后，在其后的屏上也会看到彩色的亮环，这是光发生衍射的结果
答案：BC
解析：选项A是由光的直线传播产生的；选项B是光的衍射产生的；选项C是因为白光中红色光的波长最长，亮纹最宽，故偏离中央亮纹最远；选项D是色散现象。
例2 (多选)在单缝衍射实验中，下列说法中正确的是( )
A. 将入射光由黄光换成绿光，衍射条纹间距变窄
B. 使单缝宽度变小，衍射条纹间距变窄
C. 换用波长较长的光照射，衍射条纹间距变宽
D. 增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距变宽
答案：ACD
解析： 当单缝宽度一定时，波长越长，衍射现象越明显，即光偏离直线传播的路径越远，条纹间距也越大；当光的波长一定时，单缝宽度越小，衍射现象越明显，条纹间距越大；光的波长一定、单缝宽度也一定时，若增大单缝到屏的距离，衍射条纹间距也会变宽。
例3 观察单缝衍射现象时，把缝宽由0.2 mm逐渐增大到0.8 mm，看到的现象是( )
A．衍射条纹的间距逐渐变小，衍射现象逐渐不明显
B．衍射条纹的间距逐渐变大，衍射现象越来越明显
C．衍射条纹的间距不变，只是亮度增强
D．以上现象都不会发生
答案：A
解析：由单缝衍射实验的调整与观察可知，狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽，条纹间距也越大，本题的调整是将缝调宽，现象向相反的方向发展，故选项A正确。
例4 图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则( )
A．甲为红光的衍射图样 B．乙为紫光的干涉图样
C．丙为红光的衍射图样 D．丁为紫光的干涉图样
答案：BC
解析：当单色光通过双缝时形成的干涉图样为等间距的，而通过单缝时的图样是中间宽、两边窄的衍射图样，因此甲、乙为干涉图样，而丙、丁为衍射图样．由于红光的波长较长，干涉图样中相邻条纹间距较大，而紫光的波长较短，干涉图样中相邻条纹间距较小，因此选项B、C正确。
课堂小结
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