蘇米 黃致新 張?zhí)煊?/p>

摘? ?要：該教學(xué)設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用四個(gè)環(huán)環(huán)相扣、簡(jiǎn)便易做、現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在欣賞美妙的光衍射圖樣的同時(shí)學(xué)習(xí)物理知識(shí)，明確光發(fā)生明顯衍射的條件，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性，力求突破教學(xué)重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光的衍射;教學(xué)設(shè)計(jì);光學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）7-0028-3

在中學(xué)物理教學(xué)中，讓學(xué)生真正接受“光是一種波”的觀念始終是一個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)。學(xué)生在生活中難以觀察到光的衍射現(xiàn)象，生活經(jīng)驗(yàn)帶給學(xué)生“光一定沿直線傳播”的錯(cuò)誤前概念，因此，要糾正學(xué)生這一認(rèn)知，在“光的衍射”課堂教學(xué)中，讓學(xué)生親眼看到光的衍射現(xiàn)象至關(guān)重要。本教學(xué)設(shè)計(jì)以四個(gè)環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)為主線，讓學(xué)生通過觀察光的衍射現(xiàn)象，確立光是一種波的觀念，通過觀察不同的衍射圖樣，形成衍射圖樣和障礙物形狀有關(guān)的觀念。同時(shí)，幫助學(xué)生在幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)的觀念轉(zhuǎn)換中，體會(huì)對(duì)于同一物理概念的多角度物理視角。

1? ? 教學(xué)用具及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

教學(xué)用具：注射器、鐵架臺(tái)、綠色激光筆[1]（功率為150 mW左右，人眼對(duì)綠光反應(yīng)最強(qiáng)烈，白天也可以觀察到明顯現(xiàn)象，用紅光則很難觀察到現(xiàn)象）、可調(diào)單縫、光柵、筷子、頭發(fā)絲、花粉、水。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：（1）將注射器針尖磨平，以免針尖上的液滴中花粉微粒都朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)效果;（2）配制花粉懸濁液。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)向200 mL溫水中加一粒碾碎的花粉時(shí)，觀察到的效果最好;（3）將激光筆和裝有花粉懸濁液的注射器固定在鐵架臺(tái)上，按壓注射器，在針尖處產(chǎn)生一個(gè)盡可能大的液滴，調(diào)整激光筆的角度以及墻壁、注射器和激光筆的相對(duì)位置，使激光剛好通過大液滴照到墻壁上，盡量使產(chǎn)生的圖樣清楚處于靠近墻頂?shù)膲Ρ?，以便全班學(xué)生觀察[2]，實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示。

2? ? 教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖2所示。

3? ? 教學(xué)過程

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)激疑，導(dǎo)入新課

“神奇的圓環(huán)”實(shí)驗(yàn)：用激光筆照射液滴，通過液滴的放大作用，墻上出現(xiàn)神奇的現(xiàn)象，如圖3所示。

通過神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象營(yíng)造課堂氛圍，給學(xué)生造成視覺沖擊，學(xué)生觀察到很多運(yùn)動(dòng)的小圓形，這些小圓形就是花粉微粒的影子，而小圓形周圍有一圈圈神奇的圓環(huán)，這些圓環(huán)到底是什么呢？學(xué)生產(chǎn)生濃厚興趣，期待在接下來(lái)的課堂中找到謎底。

3.2? ? 回顧舊知，做好鋪墊

師：什么是波的衍射？同學(xué)們能舉例說明嗎？

生：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，例如在墻內(nèi)能聽見墻外的人講話，說明聲波繞過墻繼續(xù)傳播，發(fā)生了衍射。

師：用PPT展示水波衍射的動(dòng)圖，把孔由小變大，提醒學(xué)生觀察衍射現(xiàn)象的變化，繼而引導(dǎo)學(xué)生回顧：波發(fā)生明顯衍射的條件是什么？

生：障礙物或孔的尺寸與波長(zhǎng)具有比擬性。

3.3? ? 引出問題，猜想驗(yàn)證

師：我們說，光也是一種波，為什么在生活中我們難以觀察到光的衍射呢？或者說光產(chǎn)生明顯衍射的條件是什么呢？同學(xué)們能不能根據(jù)波的衍射條件猜想一下？

生：光的波長(zhǎng)太短了，生活中物體尺寸都比它大得多，所以很難看到光的衍射，但是如果物體尺寸與光波長(zhǎng)具有比擬性，也許就能觀察到明顯的衍射了。

師：實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段。接下來(lái)我們一起用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這個(gè)猜想是否正確。

實(shí)驗(yàn)1：用激光分別照射筷子和頭發(fā)絲，觀察墻上的現(xiàn)象。

現(xiàn)象及分析：照筷子時(shí)，光的傳播被筷子擋住了，光沒有繞過筷子繼續(xù)傳播，在墻上看不到光;照頭發(fā)絲時(shí)，光的傳播不僅沒有被頭發(fā)絲擋住，光還繞過了頭發(fā)絲，照到了更寬的地方，并且出現(xiàn)了明暗相間的條紋，如圖4所示，這就是光的衍射現(xiàn)象。

結(jié)論1：障礙物尺寸很小時(shí)，光能發(fā)生明顯衍射。

實(shí)驗(yàn)2：用激光照射可調(diào)單縫，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，將縫由窄慢慢調(diào)寬，觀察墻上圖樣變化。

現(xiàn)象及分析：縫很窄時(shí)，光通過縫后，偏離了直線傳播方向，照到了相當(dāng)寬的地方，并且出現(xiàn)了明暗相間的條紋，光發(fā)生了明顯的衍射現(xiàn)象;隨著縫寬增大，衍射現(xiàn)象越來(lái)越不明顯;當(dāng)縫寬增大到一定程度，衍射現(xiàn)象就觀察不到了，光沿直線通過縫，在墻上產(chǎn)生一條和縫寬相當(dāng)?shù)牧辆€。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

結(jié)論2：縫的尺寸很小時(shí)，光能發(fā)生明顯衍射。

小結(jié)：

以上兩組實(shí)驗(yàn)說明：當(dāng)障礙物或縫較大時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯;當(dāng)障礙物或縫較小，與光波波長(zhǎng)具有比擬性時(shí)，衍射現(xiàn)象就十分明顯。所以猜想是正確的，光波產(chǎn)生明顯衍射的條件是障礙物或縫的尺寸與波長(zhǎng)具有比擬性。

師：光的衍射現(xiàn)象是不是與前面學(xué)習(xí)的“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”矛盾[3]？

學(xué)生討論后回答：不矛盾，光的衍射現(xiàn)象讓我們更全面地認(rèn)識(shí)了光的傳播規(guī)律。一方面，光在理想的同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播;另一方面，障礙物尺寸比光波波長(zhǎng)大得多時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，也可以認(rèn)為光沿直線傳播，但是，當(dāng)障礙物尺寸與光波波長(zhǎng)具有比擬性時(shí)，衍射現(xiàn)象十分明顯，此時(shí)就不能說光沿直線傳播了。

3.4? ? 實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)揭秘

師：不只是障礙物和條狀的縫，不同形狀的孔也可能使光發(fā)生明顯衍射。

實(shí)驗(yàn)3：用激光依次照射光柵下方正方形、正六邊形和圓形的小孔，如圖7所示，觀察墻上的圖樣變化。

學(xué)生觀察衍射圖樣，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)衍射圖樣與光通過的小孔形狀有關(guān)。

師：我們今天是不是還見過類似光通過圓形小孔的衍射圖樣？

生：神奇的圓環(huán)實(shí)驗(yàn)！

師：綠光的波長(zhǎng)是532 nm左右，又由于花粉微粒在做布朗運(yùn)動(dòng)，布朗粒子的尺寸在10-6 m數(shù)量級(jí)，所以可以說綠光的波長(zhǎng)和布朗粒子的尺寸具有比擬性，那么這些“神奇的圓環(huán)”是什么現(xiàn)象呢？

生：光的衍射！

3.5? ? 拓展延伸，情感熏陶

師：既然衍射圖樣與光通過的小孔形狀有關(guān)，那能不能通過衍射圖樣，來(lái)推測(cè)小孔形狀或者障礙物的結(jié)構(gòu)呢？

生：由實(shí)驗(yàn)可知，衍射圖樣與小孔形狀是一一對(duì)應(yīng)的，因此，可以由衍射圖樣推知小孔形狀。

老師介紹DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程：富蘭克林拍攝了DNA晶體的X射線衍射圖樣，沃森和克里克看到過彈簧的衍射圖樣，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)圖樣非常像，于是猜想DNA就是類似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)。經(jīng)過仔細(xì)研究，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。同學(xué)們?cè)谏钪幸欢ㄒ鲆粋€(gè)有心人，多觀察、多思考，在學(xué)業(yè)方面一定會(huì)取得很大的進(jìn)步，說不定下一個(gè)獲諾貝爾獎(jiǎng)的就是你們！

4? ? 教學(xué)反思

本節(jié)課以神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引入，逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出猜想、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)猜想并解決問題，力求在每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，把提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)落到實(shí)處。首先，回顧波的衍射，由于理論上光是一種波，而生活中難以看見光的衍射，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。引導(dǎo)學(xué)生提出光產(chǎn)生明顯衍射條件的猜想，用兩組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的猜想，讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，培養(yǎng)用實(shí)驗(yàn)解決物理問題的思想和方法，同時(shí)也強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)光是一種波的理解，突破教學(xué)重難點(diǎn)。揭秘神奇的圓環(huán)現(xiàn)象，讓學(xué)生視覺上感受物理的奇、趣、美，在欣賞美的過程中發(fā)現(xiàn)衍射圖樣與光通過的小孔形狀有關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、比較的能力，最后用科學(xué)家的故事鼓勵(lì)學(xué)生在生活中做一個(gè)有心人，培養(yǎng)學(xué)生的思考意識(shí)和科學(xué)情感。

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）