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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)內容對學生進一步認識光的波粒二象性，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，是本章的重點內容.由于課本只要求學生初步了解光的衍射現象，沒有做理論探討，因此與機械波類比和觀察實驗現象是十分重要的.首先要結合機械波的衍射,使學生明確光產生明顯衍射的條件,教材安排了單縫衍射和圓孔衍射兩個演示,這是學生認識光的衍射現象的關鍵,要努力做好,除此之外,要盡可能多地讓學生自己動手做實驗進行觀察,以彌補學生對這一現象的不熟悉和幫助學生深入理解. 課本提供的閱讀材料“泊松亮斑”是對學生進行科學精神教育的好教材，可通過這一科學小故事引導學生，在掌握好光的衍射知識的同時，也應該培養(yǎng)自己這方面的好品質、好作風. ●教學目標 一、知識目標 1.通過實驗觀察，讓學生認識光的衍射現象，知道發(fā)生明顯的光的衍射現象的條件，從而對光的波動性有進一步的認識. 2.通常學習知道“幾何光學”中所說的光沿直線傳播是一種近似規(guī)律. 二、能力目標 1.通過討論和對單縫衍射裝置的觀察，理解衍射條件的設計思想. 2.在認真觀察課堂演示實驗和課外自己動手觀察衍射現象的基礎上，培養(yǎng)學生比較推理能力和抽象思維能力. 三、德育目標 通過“泊松亮斑”等科學小故事的學習，培養(yǎng)學生堅定的自信心、踏實勤奮的工作態(tài)度和科學研究品德. ●教學重點 單縫衍射實驗和圓孔衍射實驗的觀察以及產生明顯衍射現象的條件. ●教學難點 衍射條紋成因的初步說明. ●教學方法 1.通過機械波衍射現象類比推理，提出光的衍射實驗觀察設想. 2.通過觀察分析實驗，歸納出產生明顯衍射現象的條件以及衍射是光的波動性的表現. 3.通過對比認識衍射條紋的特點及變化，加深對衍射圖象的了解. ●教學用具 JGQ型氦氖激光器25臺，衍射單縫（可調縫寬度），光屏、光柵衍射小圓孔板，兩支鉛筆（學生自備），日光燈（教室內一般都有），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)課在光學實驗室進行）. ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 復習水波的衍射 ［投影水波衍射圖片（試驗修訂本第二冊P14圖10—26，10—27）］ ［師］請大家看這幾幅圖片，回憶一下相關內容，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象叫波的衍射.圖10—27中丙圖衍射最明顯，因為這里的孔寬度最小. ［師］前一個問題回答得很好，后一個問題有沒有同學還有其他看法？ ［生2］我認為丙圖中孔的尺寸雖然是最小，但不一定就是發(fā)生明顯衍射現象的原因，我們應該用它跟波長比. ［師］很好，大家一起來說說發(fā)生明顯衍射現象的條件是什么？ ［生總結］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）光的衍射實驗 ［師］通過上一節(jié)課光的干涉的學習，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該具有衍射的現象，大家有沒有見過光的衍射現象呢？能舉出例子嗎？ （學生討論后，一致認為，光波也應有衍射本領，但無法舉出例子） ［師］根據我們剛才復習的明顯衍射現象的條件，大家說說看，為什么平時我們不易觀察到光的衍射？ ［生］可能是因為光波波長很短，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象. ［師］很有道理，大家來想想辦法解決這一問題. （學生討論，設計出多種實驗觀察方案，絕大部分著眼于發(fā)生明顯衍射現象的條件，教師加以肯定鼓勵） ［實驗觀察］ 安排學生根據上面的設想，自制單縫和小孔. 1.用單縫觀察日光燈光源. 2.用小孔觀察單色點光源. ［師］請大家認真觀察，然后告訴我你看到的現象. （學生回答基本上有兩類現象，一是觀察到了單一的一條亮線或一個圓形亮點，二是觀察到比較模糊的明暗相間的線狀或環(huán)狀條紋） ［師］大家做得很認真，有幾位同學已成功地觀察到了光的衍射現象，現在我們再用更好的裝置來一起觀察一下光的衍射現象. ［教師演示］ 在不透明的屏上裝有一個寬度可以調節(jié)的單縫，用氦氖激光器照射單縫，在縫后適當距離處放一光屏，如右圖20—19所示. 圖20—19 調節(jié)單縫寬度演示，得出下列結果. 縫寬 較寬 較窄 很窄 極窄 關閉 屏上現象 一條較寬亮線 一條較窄亮線 亮線變寬、變暗并出現明暗相間條紋 明暗條紋清晰、細小 條紋消失 ［師］請大家將我們的實驗結果與課本圖20—8的幾幅照片比較，總結一下光要發(fā)生明顯的衍射應滿足什么條件. ［生］當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）光的衍射現象 ［師］大家通過實驗觀察看到，光在傳播過程中能離開直線繞過障礙物到達陰影里去，這一現象叫做光的衍射現象.衍射時產生的明暗條紋叫做衍射圖樣.其實，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.同機械波的衍射一樣，光發(fā)生明顯衍射現象的條件是：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］同學們已經注意到，在衍射現象中，常有一些亮線和暗線，據此大家來猜猜原因. ［生］在干涉現象中我們也觀察到明暗相間的條紋，我想這里的道理應該跟在干涉現象中差不多. ［師］猜想有道理.其實在光的衍射現象中，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，疊加時加強或減弱，形成明暗相間的條紋，這確實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驗，條紋會怎樣呢？ ［生］條紋應該是彩色的，因為不同色光波長不同，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.(教師指導學生用兩支鉛筆并攏觀察日光燈衍射條紋） （三）光的衍射現象證明光具有波動性 ［師］在光的本性認識的歷史上有過一個“泊松亮斑”的故事，請大家來讀一讀.(學生閱讀課文后的“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］著名數學家泊松根據物理學家菲涅耳提出的波動理論推算出圓板陰影的中心應該是一個亮斑，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)，通過多次實驗，發(fā)現圓板中心確有一個亮斑.這樣“泊松亮斑”實驗就成了光的波動理論的精彩驗證.大家從這個故事得到什么啟發(fā). ［生1］實驗對物理研究有重要作用. ［生2］遇到別人的責疑，要冷靜面對，不要輕易放棄自己的立場或觀點. ［生3］科學要堅持真理，實事求是. （學生的回答很全面，教師要及時肯定鼓勵） （四）光的衍射圖樣 ［師］除了前面實驗觀察到的衍射圖樣外，課本還為我們提供了一些，請大家認真研究和比較，總結它們各自的特點. （指導學生閱讀課本圖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］總結得很好. 本節(jié)課我們通過 復習，回顧了機械波的衍射及產生明顯衍射的條件 自己設計實驗，觀察到了光波的衍射現象 老師演示實驗，觀察總結出了光的衍射現象及規(guī)律 歸納分析，得出光產生明顯衍射現象的條件，進一步認識了光的波動性，光的直線 傳播是近似規(guī)律 三、小結（投影） 四、布置作業(yè) 1.課本練習二（1）（2） 2.課后用太陽光作光源，想出一些辦法觀察衍射現象，描述現象并分析. 五、板書設計 光的衍射 一、實驗 自制障礙物觀察光能發(fā)生衍射現象 單縫衍射現象（投影）圓孔衍射 光發(fā)生明顯衍射的條件（投影） 二、光的衍射現象進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：等間距、明暗相間、強度向兩邊漸弱 單縫衍射圖象特點：中間較寬較亮，向兩邊對稱漸暗 六、本章優(yōu)化訓練設計 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象 A.雨后彩虹 B.肥皂泡上出現彩色條紋 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驗中，若把其中一縫擋住，則 A.條紋與原來一樣，只是亮度減半 B.屏上出現與縫等寬的一亮條紋 C.屏上模糊一片 D.出現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的小孔，讓圓孔直徑從1 cm左右開始逐漸調小至封閉，在這一過程中在屏上將依次出現的圖樣正確的是 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.因為聲波的波長比墻大些，能發(fā)生明顯衍射現象，而光波波長遠小于障礙物的尺寸，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