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2020-2021学年高中物理 第十三章 光 5 光的衍射教案 新人教版选修3-4

2020-2021学年高中物理 第十三章 光 5 光的衍射教案 新人教版选修3-4

年级：
姓名：

- 6 -

光的衍射
【教学目标】
1、 了解光的衍射现象，知道发生明显的光的衍射现象的条件。
2、 认识衍射条纹和干涉条纹的区别，定性了解衍射条纹形成的原理。
3、 知道实现光的衍射的途径是多种多样的，进一步强化对光的波动性的认识。
【教学重点】
光的衍射现象、发生明显的光的衍射现象的条件。
【教学难点】
光发生衍射后，为什么会有条纹形成。
【教具】
激光器、可调单缝一个、宽度为0.025mm的单缝一个、光栅五个、剔须刀片一块
【教学过程】
复习、引入
复习提问1：什么是波的衍射现象，发生明显衍射现象的条件是什么？
☆学生：回忆、答问…
引入：光的波长的数量级是多少？要光发生明显的衍射现象，容易吗？
☆学生：10－7m ；不容易。
正因为实现光波的衍射比起机械波的衍射要难得多，所以在一个相当长的时期内，光能够发生衍射的观点根本不被人们所接受，光的波动说也就欠缺了说服力。但是，功夫不负有心人，随着技术条件的进步、科学家们的不懈努力，关于光的衍射的研究终于获得了突破，而其中又以法国的菲涅尔、德国的夫琅和费等科学家最为成功。
一、单缝衍射
演示：单缝衍射实验
a、学生观察宽度为0.025mm的单缝、可调单缝；
b、用可调单缝进行（菲涅尔衍射）实验（肉眼直接对着单缝观察）；
c、用0.025mm的单缝进行（夫琅和费衍射）实验；
d、学生观察观察实验现象、表达实验结果。
总结：①光线离开直线路径绕过障碍物阴影里去；②衍射区域的光强有规则地分布。
1、光的衍射：光离开直线路径绕过障碍物阴影里去的现象叫做光的衍射现象。
过渡：衍射现象中，由于光强的规则分布，光屏上也出现了条纹，我们把它们称为衍射图样，衍射图样和（杨氏）干涉图样是一样的吗？
☆学生：不同。
2、单缝衍射图样
比较单色光的双缝干涉图样与单色光的单缝衍躯干图样，它们各有什么特点？
☆学生：观察实验现象、参看教材彩图2《光的干涉和衍射》，比较衍射图样和干涉图样的差别…
干涉：条纹间距基本相等，条纹的亮度衰减较小；
衍射：条纹间距不相等（但相等中央亮纹对称），条纹的亮度衰减明显。
我们已经知道了干涉图样是怎样形成的，并能够求出杨氏双缝干涉的条纹间距，那么，单缝衍射的图样又是怎样形成的呢？
3、衍射图样的解释
a、定性解释——惠更斯子波理论、干涉理论；
b、定量解释—— *菲涅尔半波带（解释夫琅和费单缝衍射）
草稿板图图1；
a一定，对于合适的θ = θ1 ，总可以找到
asinθ1 = ·2k（图1展示了k = 1的情形）

此时，将单缝出发的子波面划分为2k个“半波带”（图1中，AB是一个半波带、BC是第二个）。这样，一个半波带中的某个点，总是可以在相临的半波带中找到波程差为的一个对应点（譬如图1中的A1和B1点），它们在光屏上方位角为θ1的“点”的叠加是相消的。由于相临半波上的点可以这样（成对地）寻找殆尽，故光屏上方位角为θ = θ1的“线”是（完全的）暗线。
对于合适的θ = θ2 ，总可以找到asinθ2 = ·（2k－1）
此时，子波面可以划分为（2k－1）个半波带，相临半波带的子波在光屏上方位角为θ2的“点”的叠加相消，还有一个半波带在子波照射在光屏上。即：光屏上方位角为θ = θ2的“线”是亮线。
当asinθ3既不是的2k倍，也不是的（2k－1）倍时，没有被相消的子波不足半个波带，照在光屏上的能量比θ = θ2时要少，构成暗线和亮线的过渡区。
根据刚才的定量解释，单缝衍射的中央位置是亮纹还是暗纹？
☆学生：θ = 0 ，是亮纹。
如果将单缝换成尺寸很小的线或屏，定量的计算表明，这个结论也成立（中央是亮纹或亮点）。关于这一点，历史上有一个有趣的故事——
1818年，菲涅耳成功地用半波带理论解释了光的衍射现象，著名的数学家泊松根据菲涅耳的理论推算出，在不透明的小圆板的阴影中心应当出现一个亮斑。由于人们从未见过也从没听过这种现象，因此认为是十分荒谬的，所以泊松兴高烈地宣称他驳倒了菲涅耳的波动理论。但是年轻的菲涅耳接受了这一挑战，精心实验，奇迹出现了——实验证明盘影的中心硬实有亮斑。而这一亮斑居然被戏剧性地命名为泊松亮斑。
二、其它衍射现象
和机械波一样，只要满足衍射的基本条件，实验明显衍射的途径并不是唯一的
1、按光源、障碍物、光屏的位置关系，衍射也分为菲涅尔衍射（有限距离）和夫琅和费衍射（无限距离）；
2、按障碍物的形状，可以分为单缝衍射、单孔衍射、直边衍射、圆屏衍射、光栅衍射等。
☆学生：观察光栅衍射…

三、小结
光的衍射和干涉共同构成了光具有波动性的有力证明。但是，对于衍射的定量分析显然比干涉要难得多，所以，教材的要求也没有干涉那么高。我们通过本节的学习，主要是要定性的了解实现明显的光的衍射的条件、衍射图样和干涉图样的区别、进一步强化“光是一种波”的观念。
为了强化我们的所学，这里有两个思考题。
1、光能够发生衍射，是不是意味着“光沿直线传播”的结论是完全错误的？
☆学生：答问…
2、事实上，（单缝）衍射图样和（双缝）干涉图样的区别虽然是明显的，但它们也有一些共同的特点，我们可以通过教材的彩图2《光的干涉和衍射》找出它们的共同点吗？
★学生：对比寻找…（师生共同）归纳如下表——
（双缝）干涉图样
（单缝）衍射图样
双缝间距越小，条纹间距越大
单缝宽度越小，条纹间距越大
（单色光）波长越小，条纹间距越小
（单色光）波长越小，条纹间距越小
单色光形成明暗条纹，白光形成彩色条纹
单色光形成明暗条纹，白光形成彩色条纹
四、作业布置