大学物理“光的衍射”教学设计

大学物理“光的衍射”教学设计

王丽,赵洪亮

空军航空大学，吉林省 长春市 130022

【摘要】：光的衍射现象是光具有波动性的有力证明，本次课的教学设计以观察现象为基础，定性与定量相结合的方式，融合思政育人和科技前沿，让学生明确光发生衍射的条件、如何进行定量计算，让学生进一步认识光的波动性。

【关键词】光的衍射；教学设计；实验演示

光的衍射现象是继光的干涉现象进一步证明了光具有波动性，如何定性分析和定量讨论光的衍射现象是大学物理教学中的重点和难点。但是在日常生活中却难以观察到光的衍射现象，而相应的验证性实验则开设在理论内容讲解完成后，学生对该现象的认识和理论知识的理解并不深刻。本文对此次课的设计以实验现象和理论知识相结合、定性和定量想结合的方式进行，适时融入思政育人元素和科技前沿介绍，激发学生学习兴趣，对光衍射的条件、条纹的特点以至于光的波动性有更深刻的理解。教学过程设计如下：

一、图片展示，提出问题，导入新课

PPT展示夜晚拍摄的路灯照片，提出问题，为什么出现星芒现象？再展示望远镜拍摄的星空照片，提出问题，为什么星体照片看起来是六边形的，而天文学上却说星体是球体的呢？简单分析，首先路灯或者星体作为光源，其发射或反射的光进入镜头时光线可以看成是平行光，而镜头光圈则是多边形的。进一步展示当光圈叶片数量和对应星芒的照片，总结出多边形边数和星芒条数的规律，即：当多边形边数为奇数时， 可以观测到二倍于其边数的星芒；而当多边形边数为偶数时，观测到的星芒线条数与多边形边数相等。继续提出问题，上述光学现象是什么现象呢？引入光的衍射，并思考问题，什么是光的衍射？光的衍射发生条件？衍射的明暗纹条件？衍射条纹有什么特点？此时学生也会产生兴趣，期待在本次课的学习中能够解决问题。

二、类比旧知，温故知新，给出条件

提问学生什么是波的衍射现象，能否举例说明？PPT展示声波的衍射（隔墙有耳）、水波的衍射（海水绕过大坝）等图片和动图。类比机械波的衍射现象，光作为电磁波，也应该会有衍射现象，给出光的衍射的概念。此时可以让学生并拢手指，让指缝对着教室中的管灯，观察光的干涉现象，继而引导学生进一步回答为什么日常生活中很难看到光的衍射而更多的看到直线传播现象，从而引出衍射的条件，即波长要与障碍物的尺寸可比拟。因声波的波长在0.017m—17m（20Hz-20000Hz）范围内，与建筑物、障碍物的尺寸可比拟，因此生活中容易观察到声波的衍射，而可见光的波长约在400nm—760nm范围内，波长相较于生活中的大多数障碍物而言非常短，因此不容易观察到光的衍射现象。

三、实验演示，总结规律，解释现象

PPT展示一些事物的尺寸量级，发现一些微生物的尺寸可比拟，因此用光照射含有微生物就应该出现衍射现象。接下来现场做实验，用激光笔照射悬挂在注射器针管尖端的液滴，投影在教室的墙壁上，让学生观察，可以看到圆形或者条形微生物经过液滴放大的影像，并且在圆形影响周围有一圈圈的圆环，而条形微生物的两侧有同形状的对称的条纹，这就是光的衍射现象，如图1所示。再打开光学综合实验仪器演示仪，用红绿两种颜色的激光照射可调单缝，让学员观察现象的样貌特点，如图2所示，然后再PPT上展示其它如十字缝、圆孔、方形孔等障碍物的衍射图片，引导学员总结衍射图样与透光孔的形状之间的关系，并据此从几何结构上简单解释星芒条数与多边形边数的有关的原因。

接下来，可以展示韦伯太空望远镜拍摄的全彩宇宙深空图像，解释恒星的星芒覆盖了大面积的空间，掩盖了背后许多星光，同时掩盖其后方的一部分信息，给天文学研究带来的困难，说明这是光的衍射现象给光学仪器带来的不可消除的影响，进而可以说一下在光刻技术上衍射的影响。

四、定量计算，讲清思想，类比理解

在上面定性给出衍射现象的规律之后，再提出问题，如何定量计算衍射之后光强的分布情况呢？光遇到障碍物后衍射的明暗纹如何分布呢？同样类比机械波衍射的理论解释，引导学员回忆惠更斯原理，指出其无法解释衍射光强重新分布的现象，即出现明暗相间的条纹，无法解释光波不会向后传播（为什么只考虑向前传播的光波）的问题。从而给出惠更斯—菲涅耳原理，其主要思想就是子波相干叠加的思想。接下来再次类比机械波干涉的计算方法，重点讲清菲涅耳在处理从同一波阵面上各点发出的子波经过传播在空间某点相遇时是如何相干叠加的，在数学处理上如何使用微积分的思想。建议此处在讲解时可以针对影响光振动振幅的每一个物理量采用定性的方式解释，比如面元到场点的距离，可以定性地说，离得越近，场点处接收到的能量就越多，而面元面积越大，能发出的能量就越多，显然场点处接收到的能量就越多，因此光振动振幅与距离成反比、与面积的大小成正比等。

五、教学反思

本节课以星芒现象引入，逐步引导学生发现问题、分析问题、类比已有知识解决问题。充分运用类比法，让学生温故知新，通过现象观察、定性分析、定量计算相结合的方式，让学生逐步深入的理解光的衍射现象，认识到光具有波动性。

参考文献：

[1] 苏米.“光的衍射”教学设计[J].物理教学探讨,2019.

[2]刘剑锋. 光的衍射实验教学设计[J].物理教学,2019.

[3] 朱和鹏. 用激光笔作光源的衍射装置[J].物理教师.2013.

[4] 袁鑫淼. 浅谈光的衍射[J].科技风, 2017.

王丽，女（1981-），博士，基础部物理教研室副教授，主要研究方向：原子与分子物理。

赵洪亮，男（1981-），博士，基础部物理教研室副教授，主要研究方向：理论物理。