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2019-2020年高三物理 第二十章 光的波動性 二、光的衍射(第一課時) ●本節(jié)教材分析 本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識光的波粒二象性，建立辯證唯物主義世界觀，具有重要的意義，同波的干涉一樣，是本章的重點(diǎn)內(nèi)容.由于課本只要求學(xué)生初步了解光的衍射現(xiàn)象，沒有做理論探討，因此與機(jī)械波類比和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是十分重要的.首先要結(jié)合機(jī)械波的衍射,使學(xué)生明確光產(chǎn)生明顯衍射的條件,教材安排了單縫衍射和圓孔衍射兩個演示,這是學(xué)生認(rèn)識光的衍射現(xiàn)象的關(guān)鍵,要努力做好,除此之外,要盡可能多地讓學(xué)生自己動手做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察,以彌補(bǔ)學(xué)生對這一現(xiàn)象的不熟悉和幫助學(xué)生深入理解. 課本提供的閱讀材料“泊松亮斑”是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神教育的好教材，可通過這一科學(xué)小故事引導(dǎo)學(xué)生，在掌握好光的衍射知識的同時，也應(yīng)該培養(yǎng)自己這方面的好品質(zhì)、好作風(fēng). ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識目標(biāo) 1.通過實(shí)驗(yàn)觀察，讓學(xué)生認(rèn)識光的衍射現(xiàn)象，知道發(fā)生明顯的光的衍射現(xiàn)象的條件，從而對光的波動性有進(jìn)一步的認(rèn)識. 2.通常學(xué)習(xí)知道“幾何光學(xué)”中所說的光沿直線傳播是一種近似規(guī)律. 二、能力目標(biāo) 1.通過討論和對單縫衍射裝置的觀察，理解衍射條件的設(shè)計(jì)思想. 2.在認(rèn)真觀察課堂演示實(shí)驗(yàn)和課外自己動手觀察衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生比較推理能力和抽象思維能力. 三、德育目標(biāo) 通過“泊松亮斑”等科學(xué)小故事的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)定的自信心、踏實(shí)勤奮的工作態(tài)度和科學(xué)研究品德. ●教學(xué)重點(diǎn) 單縫衍射實(shí)驗(yàn)和圓孔衍射實(shí)驗(yàn)的觀察以及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件. ●教學(xué)難點(diǎn) 衍射條紋成因的初步說明. ●教學(xué)方法 1.通過機(jī)械波衍射現(xiàn)象類比推理，提出光的衍射實(shí)驗(yàn)觀察設(shè)想. 2.通過觀察分析實(shí)驗(yàn)，歸納出產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件以及衍射是光的波動性的表現(xiàn). 3.通過對比認(rèn)識衍射條紋的特點(diǎn)及變化，加深對衍射圖象的了解. ●教學(xué)用具 JGQ型氦氖激光器25臺，衍射單縫（可調(diào)縫寬度），光屏、光柵衍射小圓孔板，兩支鉛筆（學(xué)生自備），日光燈（教室內(nèi)一般都有），直徑5 mm的自行車軸承用小鋼珠，被磁化的鋼針（吸小鋼珠用），投影儀（本節(jié)課在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行）. ●課時安排 1課時 ●教學(xué)過程 一、引入新課 復(fù)習(xí)水波的衍射 ［投影水波衍射圖片（試驗(yàn)修訂本第二冊P14圖10—26，10—27）］ ［師］請大家看這幾幅圖片，回憶一下相關(guān)內(nèi)容，回答下面兩個問題： 1.什么是波的衍射？ 2.圖10—27中哪一幅衍射現(xiàn)象最明顯？說明原因. ［生1］（議論后，一人發(fā)言）波能繞過障礙物的現(xiàn)象叫波的衍射.圖10—27中丙圖衍射最明顯，因?yàn)檫@里的孔寬度最小. ［師］前一個問題回答得很好，后一個問題有沒有同學(xué)還有其他看法？ ［生2］我認(rèn)為丙圖中孔的尺寸雖然是最小，但不一定就是發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的原因，我們應(yīng)該用它跟波長比. ［師］很好，大家一起來說說發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？ ［生總結(jié)］障礙物或孔的尺寸比波長小或者跟波長相差不多. 二、新課引入 （一）光的衍射實(shí)驗(yàn) ［師］通過上一節(jié)課光的干涉的學(xué)習(xí)，我們知道光是具有波動性的，光既然是一種波，那么在傳播過程中也應(yīng)該具有衍射的現(xiàn)象，大家有沒有見過光的衍射現(xiàn)象呢？能舉出例子嗎？ （學(xué)生討論后，一致認(rèn)為，光波也應(yīng)有衍射本領(lǐng)，但無法舉出例子） ［師］根據(jù)我們剛才復(fù)習(xí)的明顯衍射現(xiàn)象的條件，大家說說看，為什么平時我們不易觀察到光的衍射？ ［生］可能是因?yàn)楣獠úㄩL很短，而平常我們遇到的障礙物或孔的尺寸比較大，所以不易觀察到光的衍射現(xiàn)象. ［師］很有道理，大家來想想辦法解決這一問題. （學(xué)生討論，設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)觀察方案，絕大部分著眼于發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，教師加以肯定鼓勵） ［實(shí)驗(yàn)觀察］ 安排學(xué)生根據(jù)上面的設(shè)想，自制單縫和小孔. 1.用單縫觀察日光燈光源. 2.用小孔觀察單色點(diǎn)光源. ［師］請大家認(rèn)真觀察，然后告訴我你看到的現(xiàn)象. （學(xué)生回答基本上有兩類現(xiàn)象，一是觀察到了單一的一條亮線或一個圓形亮點(diǎn)，二是觀察到比較模糊的明暗相間的線狀或環(huán)狀條紋） ［師］大家做得很認(rèn)真，有幾位同學(xué)已成功地觀察到了光的衍射現(xiàn)象，現(xiàn)在我們再用更好的裝置來一起觀察一下光的衍射現(xiàn)象. ［教師演示］ 在不透明的屏上裝有一個寬度可以調(diào)節(jié)的單縫，用氦氖激光器照射單縫，在縫后適當(dāng)距離處放一光屏，如右圖20—19所示. 圖20—19 調(diào)節(jié)單縫寬度演示，得出下列結(jié)果. 縫寬 較寬 較窄 很窄 極窄 關(guān)閉 屏上現(xiàn)象 一條較寬亮線 一條較窄亮線 亮線變寬、變暗并出現(xiàn)明暗相間條紋 明暗條紋清晰、細(xì)小 條紋消失 ［師］請大家將我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課本圖20—8的幾幅照片比較，總結(jié)一下光要發(fā)生明顯的衍射應(yīng)滿足什么條件. ［生］當(dāng)狹縫的寬度比波長小或跟波長差不多時，光偏離了直線傳播方向，發(fā)生了明顯的衍射. （二）光的衍射現(xiàn)象 ［師］大家通過實(shí)驗(yàn)觀察看到，光在傳播過程中能離開直線繞過障礙物到達(dá)陰影里去，這一現(xiàn)象叫做光的衍射現(xiàn)象.衍射時產(chǎn)生的明暗條紋叫做衍射圖樣.其實(shí)，不僅單縫，還有圓孔，多條平行狹縫以及各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射.同機(jī)械波的衍射一樣，光發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是：障礙物或孔的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小. ［師］下面我們再來觀察一下圓孔和光柵的衍射現(xiàn)象. （教師演示，將單縫分別換成圓孔和光柵，可以在屏上觀察到清楚的明暗相間的圓環(huán)和清晰的明暗相間的條紋.) ［師］同學(xué)們已經(jīng)注意到，在衍射現(xiàn)象中，常有一些亮線和暗線，據(jù)此大家來猜猜原因. ［生］在干涉現(xiàn)象中我們也觀察到明暗相間的條紋，我想這里的道理應(yīng)該跟在干涉現(xiàn)象中差不多. ［師］猜想有道理.其實(shí)在光的衍射現(xiàn)象中，來自單縫或圓孔上不同位置的光，到光屏處的路程差滿足一定的特點(diǎn)，疊加時加強(qiáng)或減弱，形成明暗相間的條紋，這確實(shí)跟光的干涉原理是相似的，大家再考慮一下，如果用白光做衍射實(shí)驗(yàn)，條紋會怎樣呢？ ［生］條紋應(yīng)該是彩色的，因?yàn)椴煌獠ㄩL不同，在疊加時形成條紋位置也不一樣，疊合時形成彩色. ［師］回答得非常好，大家明白了嗎？ ［生］明白.(教師指導(dǎo)學(xué)生用兩支鉛筆并攏觀察日光燈衍射條紋） （三）光的衍射現(xiàn)象證明光具有波動性 ［師］在光的本性認(rèn)識的歷史上有過一個“泊松亮斑”的故事，請大家來讀一讀.(學(xué)生閱讀課文后的“閱讀材料”） ［師］大家想不想看看這個亮斑？ ［生］想. （教師演示，用被磁化的鋼針吸一粒鋼珠，懸起，使激光束與鋼珠球心在同一直線上，圖20—20就能在屏上觀察到鋼珠暗影中心有一亮斑，即泊松亮斑.） 圖20—20 ［師］著名數(shù)學(xué)家泊松根據(jù)物理學(xué)家菲涅耳提出的波動理論推算出圓板陰影的中心應(yīng)該是一個亮斑，想借此駁倒菲涅耳的波動理論，菲涅耳與阿拉果接受了泊松的挑戰(zhàn)，通過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓板中心確有一個亮斑.這樣“泊松亮斑”實(shí)驗(yàn)就成了光的波動理論的精彩驗(yàn)證.大家從這個故事得到什么啟發(fā). ［生1］實(shí)驗(yàn)對物理研究有重要作用. ［生2］遇到別人的責(zé)疑，要冷靜面對，不要輕易放棄自己的立場或觀點(diǎn). ［生3］科學(xué)要堅(jiān)持真理，實(shí)事求是. （學(xué)生的回答很全面，教師要及時肯定鼓勵） （四）光的衍射圖樣 ［師］除了前面實(shí)驗(yàn)觀察到的衍射圖樣外，課本還為我們提供了一些，請大家認(rèn)真研究和比較，總結(jié)它們各自的特點(diǎn). （指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本圖20—10以及首頁彩圖2，并討論干涉、衍射圖樣的異同） ［生］單色光的雙縫干涉圖樣是等距的明暗相間的條紋，亮條紋強(qiáng)度向兩邊逐漸減弱且較慢，單色光的衍射圖樣中間一條亮紋較寬較亮，兩邊是對稱的明暗相間的條紋，亮條紋強(qiáng)度向兩邊逐漸減弱且較快，白光單縫衍射條紋中間是白色的，兩邊是減弱很快的彩色條紋. ［師］總結(jié)得很好. 本節(jié)課我們通過 復(fù)習(xí)，回顧了機(jī)械波的衍射及產(chǎn)生明顯衍射的條件 自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察到了光波的衍射現(xiàn)象 老師演示實(shí)驗(yàn)，觀察總結(jié)出了光的衍射現(xiàn)象及規(guī)律 歸納分析，得出光產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，進(jìn)一步認(rèn)識了光的波動性，光的直線 傳播是近似規(guī)律 三、小結(jié)（投影） 四、布置作業(yè) 1.課本練習(xí)二（1）（2） 2.課后用太陽光作光源，想出一些辦法觀察衍射現(xiàn)象，描述現(xiàn)象并分析. 五、板書設(shè)計(jì) 光的衍射 一、實(shí)驗(yàn) 自制障礙物觀察光能發(fā)生衍射現(xiàn)象 單縫衍射現(xiàn)象（投影）圓孔衍射 光發(fā)生明顯衍射的條件（投影） 二、光的衍射現(xiàn)象進(jìn)一步證明光具有波動性 三、光的衍射圖樣 雙縫干涉圖樣特點(diǎn)：等間距、明暗相間、強(qiáng)度向兩邊漸弱 單縫衍射圖象特點(diǎn)：中間較寬較亮，向兩邊對稱漸暗 六、本章優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.為什么隔著墻能聽到墻那邊人的說話聲，但看不見人？ 2.下列哪些屬于光的衍射現(xiàn)象 A.雨后彩虹 B.肥皂泡上出現(xiàn)彩色條紋 C.小孔成像 D.透過絲巾看日光燈會看到五顏六色的條紋 3.在做楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若把其中一縫擋住，則 A.條紋與原來一樣，只是亮度減半 B.屏上出現(xiàn)與縫等寬的一亮條紋 C.屏上模糊一片 D.出現(xiàn)和原來不一樣的明暗相間的條紋 4.在固定于光具座上的點(diǎn)燃的蠟燭和光屏之間，放置一個不透明的板，板上開一個直徑可調(diào)的小孔，讓圓孔直徑從1 cm左右開始逐漸調(diào)小至封閉，在這一過程中在屏上將依次出現(xiàn)的圖樣正確的是 A.蠟燭倒立的像，明亮的圓斑，明暗相間的圓環(huán) B.蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環(huán)，明亮光斑 C.明亮圓斑，蠟燭倒立的像，明暗相間的圓環(huán) D.明亮圓斑，明暗相間的圓環(huán)，蠟燭倒立的像 參考答案：1.因?yàn)槁暡ǖ牟ㄩL比墻大些，能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，而光波波長遠(yuǎn)小于障礙物的尺寸，不能發(fā)生明顯衍射，所以只能聽到說話聲而看不到人. 2.D 3.D 4.C