资源简介

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4.5光的衍射 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过实验观察与理论分析，明确光的衍射现象的定义，认识光具有波的共性，建立“光的传播不总是沿直线”的物理观念，突破“光沿直线传播”的局限性认知。
（2）掌握单缝衍射、圆孔衍射及泊松亮斑的典型特征，理解衍射现象的产生条件（障碍物或孔的尺寸与光的波长相近或更小），能区分光的衍射与干涉现象的不同特征。
（3）能运用光的衍射知识解释生活中的相关现象（如眯眼观察灯光的彩色条纹、露珠上的彩色花纹），构建“波动特性—现象表现—实际应用”的关联认知。
2.科学思维
（1）经历“提出疑问（光是否沿直线传播）→实验探究（观察衍射现象）→分析特征（总结衍射图样规律）→归纳本质（光的波动性）”的思维过程，培养从现象到本质的逻辑推理能力。
（2）通过对比光的干涉与衍射现象的图样特征、产生条件，建立分类比较的思维方法，能从条纹宽度、明暗分布、产生条件等角度精准区分两种现象，突破“衍射与干涉混淆”的认知误区。
结合衍射现象的实验规律，分析障碍物尺寸、光的波长对衍射效果的影响，培养“控制变量”的思维方法，提升运用定量分析解释定性现象的能力。
3.科学探究
（1）参与“探究光的衍射现象”系列实验，自主设计实验方案，利用激光器、单缝、圆孔、毛发、刀片等器材，观察不同条件下的衍射图样，记录实验现象并分析规律，培养实验操作与现象观察能力。
在实验中通过控制变量法（如改变单缝宽度、更换不同波长的光源）探究衍射图样的变化规律，分析实验变量与现象之间的因果关系，培养科学探究的核心能力。
小组合作完成“生活中衍射现象的收集与分析”任务，自主查阅资料了解衍射技术在光谱分析、全息成像等领域的应用，培养合作探究与信息处理能力。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解光的衍射现象的发现历程（如泊松亮斑的意外发现），体会“偶然现象背后隐藏必然规律”的科学思想，培养严谨求实、善于观察的科学态度。
在实验探究中尊重实验现象与数据，不主观臆断结论，养成规范操作、细致记录的实验习惯，体会“实验是检验真理的重要手段”，增强对物理学科的探究兴趣。
结合衍射技术在天文观测（射电望远镜）、医学检测（X光衍射）、通信技术等领域的应用，认识物理规律对科技进步的推动作用，增强科技自信与社会责任意识。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）光的衍射现象及特征：理解光的衍射的定义，掌握单缝衍射、圆孔衍射、泊松亮斑的典型图样特征，能准确描述不同衍射现象的视觉表现。
（2）衍射现象的产生条件：牢记“障碍物或孔的尺寸与光的波长相近或更小”是光发生明显衍射的条件，能结合条件判断具体情境中是否会发生明显衍射。
（3）光的衍射与干涉的区别：从产生条件、图样特征、本质原因等方面明确二者的差异，能根据现象精准区分光的衍射与干涉。
（4）衍射现象的应用：了解衍射技术在实际生活和科技领域的应用，能结合衍射原理分析简单应用场景的工作逻辑。
2.教学难点
（1）衍射现象的理解与本质：难以突破“光沿直线传播”的固有认知，无法理解“光绕过障碍物传播”的现象，难以从波的叠加角度解释衍射图样的明暗分布。
（2）衍射产生条件的深层理解：对“尺寸与波长相近或更小”的定量关系模糊，无法解释“为什么太阳光照射树叶缝隙时能看到衍射现象，而照射门窗时却看不到”。
（3）单缝衍射图样的特征分析：难以理解单缝衍射图样中“中央亮纹最宽最亮，两侧亮纹宽度逐渐减小、亮度逐渐减弱”的规律，以及缝宽变化对图样的影响。
（4）衍射与干涉的本质区别：二者均为波的叠加现象，难以从本质上区分“干涉是两列或多列相干光的叠加，衍射是一列光自身的叠加”，导致现象判断混淆。
三、教学环节
（一）情境导入：突破“光沿直线传播”的认知
展示矛盾情境：①经典实验：太阳光通过小孔在光屏上形成倒立的实像，体现光沿直线传播；②反常现象：用激光器照射刀片边缘，在光屏上观察到“阴影中心出现亮斑”；③生活场景：眯起眼睛观察远处的路灯，看到灯周围出现彩色的辐射状条纹；④科技图片：射电望远镜拍摄的宇宙星体衍射图像。
提出问题链：“光真的总是沿直线传播吗？”“刀片阴影中心的亮斑是怎么形成的？”“眯眼观察路灯的彩色条纹与光的直线传播有矛盾吗？”“这些现象背后隐藏着光的什么特性？”
教师引导：“我们之前学习了光的干涉现象，证明了光具有波动性。今天这些‘反常’现象，同样与光的波动性有关——这就是光的衍射现象。本节课我们将探究光的衍射的规律、特征及应用。”引出课题。
（二）概念建构一：光的衍射现象的实验探究
1.基础实验：观察单缝衍射现象
（1）实验器材：氦氖激光器（波长632.8nm）、可调宽度单缝、光屏、光具座。
（2）实验步骤：①将激光器、单缝、光屏依次安装在光具座上，调整三者中心在同一高度；②使激光束垂直照射单缝，在光屏上观察衍射图样；③逐渐减小单缝宽度，观察光屏上图样的变化；④更换红色和紫色激光笔，保持单缝宽度不变，对比两种色光的衍射图样差异。
（3）实验现象：①单缝宽度较大时，光屏上出现与单缝形状相似的亮斑，近似光沿直线传播的结果；②单缝宽度减小到0.1mm以下时，光屏上出现明暗相间的条纹，中央亮纹最宽最亮，两侧亮纹宽度逐渐减小、亮度逐渐减弱；③红色激光的衍射条纹间距比紫色激光大。
2.拓展实验：圆孔衍射与泊松亮斑
（1）圆孔衍射实验：用可调圆孔代替单缝，重复上述实验。现象：圆孔较大时，光屏上出现圆形亮斑；圆孔直径减小到1mm以下时，出现明暗相间的环状衍射图样，中央为亮斑。
（2）泊松亮斑实验：用不透明的小圆板代替单缝，使激光照射小圆板。现象：在小圆板的阴影中心出现一个亮斑（泊松亮斑），周围环绕着明暗相间的环状条纹。
（3）趣味实验：用激光照射毛发、细铁丝、树叶缝隙等，观察不同障碍物产生的衍射图样，记录现象并对比差异。
3.概念定义与特征总结
（1）光的衍射定义：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光会绕过障碍物的边缘或从小孔中穿出，偏离直线传播的路径，在障碍物后方或小孔周围形成明暗相间的图样，这种现象称为光的衍射。
（2）衍射图样的共同特征：①中央有一条最亮最宽的亮纹（或亮斑）；②两侧亮纹（或亮环）宽度逐渐减小，亮度依次减弱；③不同波长的光衍射效果不同，波长越长，衍射越明显，条纹间距越大。
（三）规律探究：衍射现象的产生条件与影响因素
1.衍射产生的条件分析
（1）提出问题：“为什么激光照射门窗时看不到衍射现象，而照射细缝、小圆板时能看到明显衍射？”“为什么声波能绕过墙壁传播（声波衍射），而太阳光却难以绕过高楼？”
（2）数据对比：①可见光的波长范围：400nm-760nm（1nm=10^-9m）；②常见障碍物尺寸：门窗（0.1m-10m）、细缝（0.01mm-0.1mm）、小圆板（0.1mm-1mm）、声波波长（17mm-17m）。
（3）规律总结：光发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸与光的波长相近或更小。当障碍物尺寸远大于光的波长时，衍射现象不明显，光近似沿直线传播；当障碍物尺寸与波长相近或更小时，衍射现象明显，能观察到清晰的衍射图样。
（4）本质解释：衍射是波的固有属性，一切波都能发生衍射，只是明显程度不同。光的波长极短，日常生活中大多数障碍物尺寸远大于光的波长，因此衍射现象不明显，人们习惯认为光沿直线传播。
2.影响衍射效果的因素
（1）障碍物或孔的尺寸：在光的波长不变时，尺寸越小，衍射越明显，衍射图样的中央亮纹越宽；尺寸越大，衍射越不明显，中央亮纹越窄。
（2）光的波长：在障碍物尺寸不变时，波长越长，衍射越明显（如红光比紫光衍射明显）；波长越短，衍射越不明显（如X光波长极短，衍射现象难以观察，近似沿直线传播）。
（3）实验验证：保持单缝宽度不变，分别用红光和紫光激光照射，观察到红光衍射条纹更宽；保持激光颜色不变（波长不变），逐渐减小单缝宽度，观察到中央亮纹逐渐变宽。
（四）概念辨析：光的衍射与干涉的区别
1.核心差异对比
（1）产生条件不同：①干涉：两列或多列频率相同、相位差恒定、振动方向一致的相干光叠加；②衍射：一列光遇到尺寸与波长相近或更小的障碍物或孔，发生自身叠加。
（2）图样特征不同：①干涉图样：条纹宽度均匀、明暗对比一致（如双缝干涉条纹是等宽等间距的）；②衍射图样：中央亮纹最宽最亮，两侧亮纹宽度减小、亮度减弱（如单缝衍射条纹不等宽）。
（3）本质原因不同：①干涉：不同光束之间的叠加；②衍射：同一光束不同部分之间的叠加。
2.实例区分练习
（1）情境1：太阳光照射肥皂泡出现彩色条纹——干涉现象（两列反射光叠加）；
（2）情境2：眯眼观察路灯出现彩色辐射条纹——衍射现象（光通过眼睑缝隙发生衍射）；
（3）情境3：双缝干涉实验中光屏上的明暗条纹——干涉现象；
（4）情境4：刀片阴影中心的亮斑——衍射现象（泊松亮斑）。
（五）规律应用：衍射现象的实际应用
1.生活中的衍射现象
（1）眯眼观察灯光：眼睑形成细小缝隙，光通过缝隙发生衍射，不同颜色光的衍射条纹间距不同，因此呈现彩色条纹。
（2）露珠或肥皂泡的彩色花纹：部分是衍射现象（光通过薄膜边缘或表面微小凸起发生衍射），部分是干涉现象（薄膜前后表面反射光叠加），二者共同作用形成彩色效果。
（3）天空中的彩虹：主要是光的折射和色散现象，但彩虹边缘的模糊条纹与光的衍射有关。
2.科技领域的衍射应用
（1）光谱分析：利用不同元素的原子发光的衍射图样不同（特征谱线），通过分析衍射光谱确定物质的组成成分，应用于化学分析、天文观测等领域（如恒星光谱分析确定恒星元素组成）。
（2）射电望远镜：利用电磁波的衍射现象，通过巨大的天线接收宇宙星体发射的电磁波，即使星体发出的电磁波绕过星际障碍物，也能被望远镜捕捉，实现对遥远星体的观测。
（3）X光衍射：利用X光的衍射现象研究晶体的原子排列结构，应用于材料科学（如半导体材料结构分析）、医学检测（如DNA分子结构的发现就利用了X光衍射技术）。
（4）全息成像：结合光的衍射和干涉技术，记录光的振幅和相位信息，再现物体的立体图像，应用于防伪标识、医学成像等领域。
（六）难点突破：易错概念澄清与实验拓展
1.易错概念澄清
（1）误区1：光的衍射是“光不沿直线传播”的特殊情况。纠正：衍射是光的固有属性，光沿直线传播是衍射现象不明显时的近似，一切光的传播都存在衍射，只是明显程度不同。
（2）误区2：只有小孔或细缝才能产生衍射。纠正：任何障碍物都能使光发生衍射，无论是小孔、细缝、刀片、毛发，只要尺寸满足条件，都能观察到明显衍射现象。
（3）误区3：泊松亮斑是干涉现象。纠正：泊松亮斑是光照射小圆板时产生的衍射现象，是光绕过小圆板边缘发生叠加形成的，属于衍射的典型表现。
2.实验拓展：自主探究生活中的衍射现象
（1）探究任务：小组合作，利用身边器材（手机闪光灯、纸片、刀片、毛发等）设计实验，观察生活中的衍射现象，记录实验器材、步骤、现象，并分析原因。
（2）示例方案：①用纸片剪出不同宽度的细缝，用手机闪光灯照射细缝，在白墙上观察衍射图样；②用刀片在纸片上扎不同大小的圆孔，重复上述实验；③将毛发贴近手机闪光灯，在墙上观察毛发的衍射图样。
（3）成果交流：各小组展示实验现象，分享分析过程，教师点评并补充，深化对衍射现象的理解。
四、核心知识归纳：光的衍射知识体系
1.核心概念
（1）光的衍射：光绕过障碍物或通过小孔时，偏离直线传播路径，在障碍物后方或小孔周围形成明暗相间图样的现象，是光的波动性的重要证据。
（2）明显衍射条件：障碍物或孔的尺寸与光的波长（400nm-760nm）相近或更小。
（3）典型衍射现象：单缝衍射（明暗相间条纹，中央亮纹最宽）、圆孔衍射（明暗相间圆环）、泊松亮斑（小圆板阴影中心亮斑）。
2.衍射图样的特征规律
（1）形状特征：与障碍物或孔的形状相关（单缝对应条纹，圆孔对应圆环）。
（2）亮度分布：中央亮纹（斑）最宽最亮，两侧亮纹（环）宽度依次减小、亮度依次减弱。
（3）波长影响：波长越长，衍射越明显，条纹（环）间距越大（红光＞紫光）。
（4）尺寸影响：障碍物/孔尺寸越小，衍射越明显，中央亮纹（斑）越宽。
3.衍射与干涉的核心区别
（1）产生前提：干涉需多列相干光，衍射需一列光与障碍物作用。
（2）图样差异：干涉条纹等宽等间距，衍射条纹中央宽两侧窄。
（3）本质叠加：干涉是不同光束叠加，衍射是同一光束不同部分叠加。
应用领域
（1）光谱分析：利用特征衍射谱线确定物质成分。
（2）天文观测：射电望远镜利用电磁波衍射捕捉宇宙信号。
（3）材料研究：X光衍射分析晶体结构。
（4）生活现象：眯眼观灯的彩色条纹、露珠的彩色花纹。
4.易错点提醒
（1）光的直线传播是衍射不明显的近似，衍射是光的固有属性，并非特殊情况。
（2）判断衍射现象时，关键看障碍物尺寸与光波长的关系，而非障碍物的形状。
（3）泊松亮斑是衍射现象，不是干涉现象，是光绕过小圆板边缘叠加形成的。
五、课堂练习
（一）基础巩固题
1.关于光的衍射现象，下列说法正确的是（）
A.光的衍射现象说明光不沿直线传播
B.只有小孔才能使光发生衍射
C.光的衍射是光的波动性的表现
D.衍射图样中两侧亮纹的亮度与中央亮纹相同
2.下列情境中，能观察到明显光的衍射现象的是（）
A.太阳光照射到窗户玻璃上
B.激光照射到直径为1mm的圆孔上
C.手电筒光照射到远处的高楼
D.太阳光照射到篮球上
3.简述光发生明显衍射的条件，并解释“为什么声波能绕过墙壁传播，而太阳光却不能”。
4.描述单缝衍射图样的特征，并说明当单缝宽度逐渐减小时，衍射图样会发生怎样的变化。
（二）能力提升题
5.下列现象中，属于光的衍射现象的是（）
A.雨后天空出现的彩虹
B.太阳光照射肥皂泡出现的彩色条纹
C.眯眼观察远处路灯出现的彩色条纹
D.双缝干涉实验中光屏上的明暗条纹
6.用红光和紫光分别照射同一宽度的单缝，观察衍射图样，下列说法正确的是（）
A.红光的衍射条纹间距比紫光小
B.红光的中央亮纹比紫光宽
C.紫光的衍射现象比红光明显
D.两种光的衍射图样亮度分布完全相同
7.为什么泊松亮斑的发现被称为“物理学史上的美谈”？结合其发现过程，说明实验在物理学发展中的作用。
8.某同学用激光笔照射一不透明的小圆板，在光屏上观察到了泊松亮斑，若增大小圆板的直径，光屏上的衍射图样会发生怎样的变化？请说明理由。
（三）拓展创新题
9.设计一个实验，探究“光的波长对衍射现象的影响”，要求：（1）实验目的；（2）实验器材；（3）实验步骤；（4）预期实验现象与结论。
10.结合光的衍射知识，分析“为什么射电望远镜的天线尺寸非常大”。要求：（1）射电望远镜的工作原理与光的衍射的关系；（2）天线尺寸与观测效果的关联；（3）若某射电望远镜的天线直径为500m，接收的电磁波波长为1m，说明该尺寸设计的合理性。
六、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：C
解析：A错误，光的衍射现象说明光具有波动性，光沿直线传播是衍射不明显时的近似；B错误，任何障碍物都能使光发生衍射，并非只有小孔；C正确，衍射是光的波动性的重要表现；D错误，衍射图样中中央亮纹最亮，两侧亮纹亮度逐渐减弱。
2.答案：B
解析：A错误，窗户玻璃尺寸远大于光的波长，衍射现象不明显；B正确，1mm的圆孔尺寸与光的波长（400nm-760nm）相近，能观察到明显圆孔衍射；C错误，高楼尺寸远大于光的波长，衍射不明显；D错误，篮球尺寸远大于光的波长，无法观察到明显衍射。
3.答案：
（1）光发生明显衍射的条件：障碍物或孔的尺寸与光的波长（400nm-760nm）相近或更小。
（2）原因：声波的波长范围为17mm-17m，墙壁的尺寸（0.1m-10m）与声波波长相近，因此声波能绕过墙壁发生明显衍射；太阳光的波长极短（400nm-760nm），墙壁尺寸远大于光的波长，光的衍射现象不明显，近似沿直线传播，因此无法绕过墙壁。
4.答案：
（1）单缝衍射图样特征：①明暗相间的平行条纹；②中央亮纹最宽最亮；③从中央向两侧，亮纹的宽度逐渐减小，亮度逐渐减弱。
（2）单缝宽度减小时的变化：单缝宽度逐渐减小，衍射现象逐渐明显，中央亮纹的宽度逐渐增大，两侧亮纹的间距也逐渐增大，亮度对比更明显。
（二）能力提升题答案与解析
5.答案：C
解析：A错误，彩虹是光的折射和色散现象；B错误，肥皂泡的彩色条纹是光的干涉现象（前后表面反射光叠加）；C正确，眯眼时眼睑形成细缝，光通过细缝发生衍射，不同色光衍射条纹间距不同，呈现彩色；D错误，双缝干涉条纹是光的干涉现象。
6.答案：B
解析：A错误，红光波长比紫光大，衍射条纹间距比紫光大；B正确，红光衍射更明显，中央亮纹比紫光宽；C错误，红光波长更长，衍射现象比紫光明显；D错误，两种光的波长不同，衍射图样的条纹宽度和亮度分布不同。
7.答案：
（1）发现历程：泊松亮斑是法国科学家泊松在计算菲涅耳的光的波动理论时，从理论上推导出“光照射小圆板时，阴影中心会出现亮斑”，认为这是荒谬的，以此反驳波动理论；但菲涅耳通过实验证实了这一亮斑的存在，该亮斑因此被命名为泊松亮斑，成为光的波动理论的有力证据。
（2）实验的作用：实验是检验理论的唯一标准，泊松亮斑的发现过程说明，即使是看似“荒谬”的理论推导，也需要通过实验验证；实验能证实理论的正确性，推动物理学理论的发展，体现了“理论指导实验，实验完善理论”的科学研究方法。
8.答案：
（1）变化：增大小圆板的直径，光屏上的泊松亮斑会逐渐变暗、变小，周围的环状衍射条纹间距会逐渐减小，衍射现象逐渐不明显；当小圆板直径远大于光的波长时，泊松亮斑消失，光屏上只出现小圆板的清晰阴影。
（2）理由：光发生明显衍射的条件是障碍物尺寸与光的波长相近或更小。增大小圆板直径，其尺寸与光波长的比值增大，衍射现象逐渐减弱，因此泊松亮斑变小变暗，最终消失。
（三）拓展创新题答案与解析
9.答案：
（1）实验目的：探究光的波长对衍射现象的影响，明确波长与衍射明显程度的关系。
（2）实验器材：红色激光笔（波长约650nm）、紫色激光笔（波长约450nm）、可调宽度单缝（固定宽度为0.1mm）、光屏、光具座。
（3）实验步骤：①将红色激光笔、单缝、光屏依次安装在光具座上，调整三者中心等高，使激光垂直照射单缝，在光屏上观察并记录红色激光的衍射图样；②保持单缝宽度、激光笔与单缝的距离、单缝与光屏的距离不变，将红色激光笔更换为紫色激光笔，重复上述实验，观察并记录紫色激光的衍射图样；③对比两种色光的衍射图样，分析波长对衍射现象的影响。
（4）预期实验现象与结论：红色激光的衍射图样中，中央亮纹更宽，两侧亮纹间距更大，衍射现象更明显；紫色激光的中央亮纹较窄，两侧亮纹间距较小，衍射现象较不明显。结论：在障碍物尺寸不变时，光的波长越长，衍射现象越明显。
10.答案：
（1）工作原理与衍射的关系：射电望远镜通过接收宇宙星体发射的电磁波（波长较长，多为毫米级到米级）来观测星体，电磁波在传播过程中会遇到星际障碍物（如星云、尘埃），会发生衍射现象；射电望远镜的天线用于接收衍射后的电磁波信号，通过分析信号得到星体的信息。
（2）天线尺寸与观测效果的关联：电磁波的衍射现象与波长和障碍物尺寸有关，射电望远镜接收的电磁波波长较长，要想精准接收信号，需要天线尺寸足够大——天线尺寸越大，对电磁波的“汇聚”能力越强，能减少衍射现象带来的信号扩散，提高观测的分辨率和清晰度。
（3）合理性分析：该射电望远镜接收的电磁波波长为1m，天线直径为500m，天线尺寸远大于电磁波波长，此时电磁波在天线处的衍射现象不明显，能被天线有效接收；同时，较大的天线尺寸能提高信号的接收强度和分辨率，因此该尺寸设计合理。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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