鲁科版选修34 光的衍射 第1课时 教案.doc

光的衍射教学设计【教学目标】一、知识目标1通过实验观察，让学生认识光的衍射现象，知道光发生明显的衍射现象的条件，从而对光的波动性有进一步的认识。2通过学习让学生知道“几何光学”中所说的光沿直线传播是一种近似规律。二、能力目标1通过讨论和对单缝衍射装置的观察，理解探究光发生明显衍射现象的条件实验的设计思想。2在认真观察课堂演示实验和课外自己动手观察衍射现象的基础上，培养学生比较推理能力和抽象思维能力.三、德育目标通过“泊松亮斑”等科学趣事的学习，培养学生坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德。【学情分析】虽然光的衍射对学生来讲属于新知识，但前面才学习了机械波的衍射，因此学生学习本节知识难度并不很大。教师应通过一定的方法引导和学生进行类比，促进知识和能力的迁移。【教学思路】通过机械波衍射现象类比推理，提出设计光的衍射实验观察设想。【教学重点】单缝衍射实验和圆孔衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件。【教学难点】利用惠更斯原理对衍射条纹成因进行初步说明。【教学方法】1. 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；2. 通过对比认识衍射条纹的特点及变化，加深对衍射图象的了解。【教学过程及知识要点】 引入新课投影水波衍射图片，复习水波发生明显衍射的条件：1波的衍射：波能绕过障碍物的现象叫波的衍射2教师提问：图中哪一幅衍射现象最明显？说明原因。（学生讨论回答） 3教师在学生回答后明确给出：水波发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸比波长小或者跟波长相差不多。我们知道干涉衍射是波的特性，光也是一种波，也应该能够发生衍射。这节课我们来认识光的衍射。 研究光的衍射现象1对光能否发生衍射的思考：提问：光既然是一种波，那么在传播过程中也应该具有衍射的现象，可是大家有没有见过光的衍射现象呢？能举出例子吗？学生讨论后可能认为，光波也应有衍射本领，但可能无法举出例子提问：的确，更能够发生衍射现象，但平时我们不易观察到光的衍射。根据我们刚才复习的明显衍射现象的条件，大家试推测，为什么平时我们不易观察到光的衍射？学生可能说出，是因为光波波长很短，而平常我们遇到的障碍物或孔的尺寸比较大，所以不易观察到光的衍射现象。老师应该对学生的回答做鼓励的评价。如果学生不能答出，老师可以引导其思考，最后给出明确的解答。2通过实验观察探究衍射现象及其规律教师演示实验，学生观察现象：（1）使用上节课所用的双缝干涉仪，不过这次做实验要将双缝屏撤去，留下单缝屏。通过测温目镜观察屏上的图样。（老师将单缝的缝宽调好，让学生能够看到明显的衍射现象。）先让学生描述看到的现象，最后老师给出单缝衍射图样规范的表述：中央亮条纹很宽，而两侧的亮条纹较窄，而且中央亮条纹很亮，而两侧的亮条纹逐渐变暗。光在传播过程中绕过障碍物偏离直线传播的现象，叫做光的衍射现象。衍射时产生的明暗条纹叫做衍射图样。（2）改变单缝的缝宽，探究发生明显衍射的条件调节单缝宽度时，从宽度很大逐渐减小，让学生观察现象，并注意观察现象的变化。先让学生描述看到的现象，最后老师将其整理成，得出下列结果：缝宽调节较 宽较 窄很 窄极 窄关 闭屏上现象一条较宽亮线一条较窄亮线亮线变宽、变暗并出现明暗相间条纹明暗条纹清晰、细小条纹消失提问：大家看到，当缝的宽度减小到一定程度时，才可以看到衍射现象。结合机械波发生明显衍射的条件，请思考：光发生明显的衍射应满足什么条件？通过学生思考讨论，老师小结出结论：当狭缝的宽度比波长小或跟波长差不多时，光偏离了直线传播方向，发生了明显的衍射。其实，不仅单缝，还有圆孔，以及各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。同机械波的衍射一样，光发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比光的波长还小或跟光的波长相比差不多。指导学生观察p.83的红光的圆孔衍射图样。若有条件，老师将单缝分别换成圆孔屏，可以让学生在屏上观察到圆孔衍射的图样：明暗相间的圆环。3根据惠更斯原理分析论证：在干涉现象中我们观察到明暗相间的条纹，那是光叠加的结果。在光的单缝（或圆孔）衍射图样中，也出现亮条纹和暗条纹，也是光波叠加的结果：亮条纹：是来自单缝（或圆孔）的光波波阵面上不同点（子波源）的子波，到光屏处的路程差满足一定的条件，叠加时加强，所以形成亮条纹。亮条纹：是来自单缝（或圆孔）的光波波阵面上不同点（子波源）的子波，到光屏处的路程差满足一定的条件，叠加时削弱，所以形成暗条纹。因此，从本质上讲，衍射和干涉没有区别。但一般说来，我们常常把几个分立光束的相干叠加叫做干涉；而把波阵面上无穷多个子波源的子波的相干叠加称为衍射。例如：双缝干涉是来自两个缝的光波的相干叠加；单缝衍射是来自单缝波阵面上无穷多个子波源的子波的相干叠加。 衍射光栅单缝衍射的条纹比较宽，距中央条纹较远的亮条纹，亮度也很低，如图。在实际应用中为了获得准确的测量需要让每个亮纹很亮，且使各级条纹能够分开。显然单缝衍射无法得到这样的衍射图样。为此人们制作出了“光栅”，光栅是衍射图样可以达到这样的要求。什么是光栅呢？许多等宽度的狭缝等距离的排列的光学元件，叫做光栅。实用光栅是在不透光的基板上可出透光的狭缝，每毫米内有几十条、上千条甚至上万条刻痕。一块100mm100mm的光栅上能刻有104条到106条刻痕。它是近代物理实验和生产技术中重要的光学元件。上面所介绍的光栅叫透射光栅。还有一种光栅，是利用反射原理制成的，叫反射光栅。晶体中原子的排列很有规律，晶体点阵可以看成三维空间光栅，利用这种光栅可以观察到波长很短的x射线的衍射现象。实验表明，用光栅代替单缝衍射中的单缝，它的衍射图样是许多平行的明暗相间的条纹，减小缝间距离，条纹间距增大；增多缝数明暗条纹变得更为清晰。其衍射图样上的亮度分布如右图。 身边的光的衍射现象实际上，同学们在身边也有机会看到光的衍射现象。指导学生阅读教材：1、 蓝光剃须刀片的衍射2、 雨天的晚上透过眼镜片上的水滴看路灯，水滴边缘就有衍射条纹3、 夜观星空，如果眯缝着眼睛去观察月亮、和恒星，都会在视网膜上形成衍射斑4、 孔雀的羽毛色彩斑斓，这也是自然光的照射下发生衍射现象的原因造成的。5、 让学生用两支铅笔并在一起形成一个狭缝，去观察日光灯或白昼灯，也可以观察到衍射现象最后可让请同学们自己列举。【课堂练习】1点光源照射一个障碍物，在屏幕上所成的阴影的边缘是模糊的，这种现象是光的【 】 a反射现象b折射现象c干涉现象d衍射现象2下列关于单缝衍射图样的说法中正确的是【 】a它和双缝干涉图样完全相同b亮条纹的亮度都相同，而宽度不同c中央亮条纹的亮度和宽度最大d亮条纹的宽度相同，而亮度不同3在做杨氏双缝干涉实验时，将其中的一条狭缝挡住，在屏上仍能观察到明暗相间的条纹，此条纹【 】a仍是原来的干涉条纹，只是亮度减弱了b仍是干涉条纹，只是条纹宽度变窄了c是衍射条纹d无法确定是干涉条纹还是衍射条纹4下列哪些现象是光的衍射产生的【 】a泊松亮斑b阳光下茂密的树阴中地面上的圆形亮斑c阳光经凸透镜后形成的亮斑d平行光照在一个较大障碍物上后，影的轮廓模糊不清答案：1d 2c 3c 4ad【课堂小结】光与机械波一样，也能发生衍射现象。光发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比光的波长还小或跟光的波长相比差不多。衍射现象进一步证实了光的波动性。光的直线传播只是衍射现象不明显的情况下的近似规律。【家庭作业与活动】1、 阅读下面关于光的衍射的物理学故事，你一定会从中受到一些启发。阅读材料 泊松亮斑说起泊松亮斑还真是有点儿意思。现在我们已经知道其实是波粒二象性了。但在经典物理学时期，关于光的本性有两种观点，即波动论和粒子论，人们企图用一种观点解释全部的光学现象。而数学家泊松是坚定的粒子论者，他对光的波动说很不屑。1678年惠更斯向法国科学院提交了著作光论。在书中，惠更斯把光波假设为一横波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种问题冲量，他类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。英国物理学家托马斯杨（thomas young,1773.6.13- 1829.5.10）于1801年提出干涉理论。利用干涉观念成功解释了牛顿环，同时也成为第一个近似测定波长的人。在1807年出版的自然哲学和机械工艺讲义中对光的干涉再次作了解释。法国物理学家菲涅耳（augustan jean fresnel,1788.5.10-1827.7.14）设计一个实验：利用两个与小孔或不透明障碍物边缘都无关的小光源，用两块彼此接近180角的平面金属镜，避开衍射，由反射光束来产生干涉现象。并运用大量工具进行数学运算，使实验数据与计算结果一致，被授予优胜奖。菲涅耳用波动说解释影子的存在和光的直线传播，并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。这一成功，为光的波动说增添了不少光辉。泊松为了推翻光的波动说，根据菲涅耳的计算结果，用很严谨的数学方法计算，得出的结论是：“假如光是一种波，那么光在照到一个尺寸适当的圆盘时，其后面的阴影中心会出现一个亮斑”。这在当时看来是一个很可笑的结论：影子的中心应该是最暗的，如果光是波动的反而成了最亮的地方了。这是的确令人难以相信的，过去也从没看到过。但是菲涅耳的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。泊松自认为这个结论完全可以推翻光的波动说，然而物理学家菲涅尔的实验却使泊松大跌眼镜事实果真像泊松计算的那样，在阴影的中心就是有一个亮斑。菲涅耳荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。泊松本来想推翻光的波动说，结果反而又一次证明了光的波