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視頻課題：第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《光的衍射》重慶市江津

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第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《光的衍射》重慶市江津中學校高中物理

《光的衍射》說課文稿
重慶市江津中學校  張凱
一、說課題目：《光的衍射》
二、使用教材：人教版《物理》選修3-4第十三章第五節
三、實驗器材
自制教具：“泊松亮斑”教學演示裝置（含可調焦固體激光器、直徑0.5mm鋼珠、蓋玻片和固定夾）、自制衍射片（矩形孔、三角形孔）
可調狹縫、光屏、大頭針、金屬絲、細橡皮條、注射器、微調平臺、三腳架、水等
四、創新要點與實驗改進
1、國家專利：《一種泊松亮斑教學演示裝置》（ZL201621203255.9），實現了以“泊松亮斑”為代表的多種衍射現象的現場實驗展示；
2、自制衍射實驗裝置結構簡單小巧，功能豐富，可以展示高中階段所有的衍射實驗；
3、創新了衍射實驗內容，使衍射實驗富有趣味性和啟發性；
4、改進了單縫衍射裝置，能夠定量化和動態化的對光的衍射產生條件進行探究；
5、利用生活中常見的材料，為學生創設了拓展性活動。
五、創新實驗和改進實驗的原理
1、“泊松亮斑”的現場演示實驗突破了教材實驗方法的局限
幾十年來，教材上展示“泊松亮斑”均采用一張模糊的黑白膠片，其產生方法為：在暗室內用極低亮度的激光照射圓屏，衍射圖樣投射到低感光度膠片上，經長時曝光后，得到黑白膠片；使用時，再將黑白膠片進行放大觀察。
該方法制作過程繁復，耗時長且呈現效果差，無法讓學生親身體驗實驗的過程。而我們的實驗方案可以突破上述局限，實現“泊松亮斑”的現場實時展示。
衍射實驗通常均采用平行激光束照射孔或縫（夫瑯禾費衍射），而平行激光束產生的夫瑯禾費衍射僅是菲涅爾衍射的特例。本實驗利用可調透鏡組先將平行光束變為發散光束，即衍射方式為菲涅爾衍射（如圖1所示），而后在光路上放上一個圓珠筆筆頭圓珠（用透明蓋玻片將的圓珠夾住），就能在光屏上看到泊松亮斑（如圖2）。

2、新的衍射實驗方法拓展性強，能夠實現衍射實驗的系列化
“泊松亮斑”的實驗方法拓展性強，能夠實現多類障礙物衍射現象的現場展示，從而實現衍射實驗的系列化，能為學生深入理解衍射現象提供了豐富素材，也能為學生進一步的探究活動提供了技術支持。


圖3所示依次為激光通過細金屬絲（上左）、細金屬絲十字架（上右）、針尖（下左）、大頭針針帽（下右）后的衍射圖樣。
3、改進后的衍射裝置結構簡單小巧，功能豐富，成本低，有推廣價值


自制衍射實驗演示裝置，在光源部分加裝調焦鏡頭后，即可產生平行光束也可產生發散光束，能同時實現夫瑯禾費衍射和菲涅爾衍射，如此，高中教材上所有的衍射實驗均可用該裝置現場演示。配合其他輔件，還可以用于干涉現象的演示，能夠極大滿足現行中學教學的實際需要。
同時，改進后的裝置結構小巧（如圖4），制作成本低（不足60元），易于推廣應用。
 
4、創新實驗：利用光的衍射檢驗水中是否有固體雜質


實驗裝置如圖5所示。
水滴中的固體小顆粒（肉眼不可見）是在運動的。當激光照射到懸停的水滴上，由于尺寸極小，運動的固體小顆粒就充當了衍射現象中障礙物，從而在光屏上形成動態的衍射圖樣。仔細觀察衍射圖樣，能夠看到移動的泊松亮斑。
該實驗設計思路巧妙，趣味性強，能夠很好的激發學生的學習興趣和探究動力。
5、單縫衍射實驗縫寬的定量化、動態化改進
利用單縫衍射演示光的衍射的產生條件時，我們對所用可調狹縫進行了改動（如圖6）。通過加裝測微頭，使狹縫的寬度既能方便的連續調節，也能讀出狹縫的精確寬度。在衍射條件的展示過程中能夠將縫寬的具體變化和中央兩條紋的寬度變化對應起來，利于學生對衍射條件的理解，便于其開展研究性學習。


6、利用生活中常見的材料，為學生創設探究活動
利用生活中常見的一些材料，例如細橡皮條、頭發絲、刀片等，為學生創設豐富的探究活動。例如細橡皮條具有彈性，發生伸縮時其粗細會發生變化，可讓學生模擬工業上抽絲機的控制原理；利用刀片的拼接，可以做出不同形狀的小孔，供學生探究衍射行為與孔的形狀和大小的關系；再如，利用圓珠筆頭的鋼珠做衍射器材，能夠更形象化的讓學生理解光的衍射的發生條件。
六、實驗教學目標：
1、物理觀念層面：知道通過光的衍射現象，認識光的波動性；
2、科學思維層面：能用類比的方法學習光的波動性、理解衍射現象中的“放大”思想；
3、實驗探究層面：通過動手設計或實驗觀察，獲取對常見衍射現象的正確認識；
4、科學態度與責任層面：了解衍射現象在人類科學發展歷程中所起的重要作用。
七、實驗教學內容：
1、光的衍射及產生明顯衍射現象的條件
2、幾種不同的衍射現象
3、衍射光柵
4、衍射現象的應用。
八、實驗教學過程：
1、光的衍射及產生明顯衍射現象的條件


在新課引入部分，給學生展示兩張衍射圖樣（圖7），先讓學生猜測障礙物的形狀，而后再給學生公布障礙物的真實情況，以此暴露學生的潛在概念并激發學生的學習興趣。
利用改進過的光的單縫衍射實驗來探究光的衍射條件（見上文圖6）。
2、幾種不同的衍射現象


利用創新實驗，依次現場展示圓屏衍射（見上文圖2）、線狀障礙物的衍射（見上文圖3）、不同形狀孔的衍射（圖8），讓學生充分了解光的衍射現象，理解光的衍射的具體概念：光偏離直線傳播，能夠進入障礙物的幾何陰影區域，且呈現有規律的強弱分布的現象。
3、衍射光柵
為學生介紹衍射光柵的分類和作用，使其了解衍射光柵是光的衍射的具體應用。
4、衍射現象的應用。
介紹科學家用X射線產生的衍射，研究DNA結構和晶體結構，使學生能夠認識到物理同社會的聯系。再加入創新實驗“利用光的衍射檢驗水中是否有固體雜質”（見上文圖5），加深學生對所學知識的理解。
為學生提供激光器和粗細不同的銅絲，通過實際的操作和觀察來領會衍射現象的應用。
九、實驗效果評價：
1、教學內容層面：實驗項目豐富，設計新穎，能夠激發學生學習的積極性，便于學生對衍射知識的深入和全面學習；
2、教學方法層面：實驗方式靈活多樣，內容聯系生活與社會，啟發性強，利于學生科學素養的提升和培養；
3、教學組織層面：更新了實驗教學內容、實驗裝置和演示條件，開設的綜合性、設計性實驗具有開放性和可拓展性。
 
 
參賽教師個人信息：
重慶市江津中學校      564843293@qq.com。

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