4.5 光的衍射 教学设计-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

选择性必修一第四章第五节 光的衍射 一、“光的衍射”单元教材分析 (一)课程标准对“光的衍射”单元的要求 1. 通过实验，理解光的折射定律。会测量材料的折射率。 2. 知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。 3. 通过实验了解激光的特性。能举例说明激光技术在生产生活中的应用。 (二) “光的衍射”章节分析 1.章节结构 本章第一节为“光的折射”此节的折射公式为重点讲解内容，为第二节“全反射”的讲解提供理论基础，两节均以“光沿直线传播的定律”为前提形成了层层递进的关系。第三到第六节，从“光的干涉”到“光的衍射”再到“光的偏振”从浅入深式的对光的波动性质进行论述，同时为便于学生理解，引入双缝干涉实验，与一二节相比更加抽象。最后一节是理论与实际的结合，以激光为例，论述了光在实际生活中的应用。每一节基本按照提出问题、引出概念、公式推导、实验、思考与讨论、例题递进式的逻辑结构进行教材排版。 2.全章难点 2.1折射率的测量（难在实验过程的操作） 本实验是以平行玻璃砖进行试验，含有玻璃砖表面可能不平滑，尺子做线不平行等众多实验误差，此外，本实验每一步之间联系进步，容错率较低，任何一步的微小失误都可能得出相反的结果。 2.2全反射的应用（难在对光纤、望远镜全反射图像的理解） 此二者的大多比较复杂，当有多条光纤同时存在时，学生不易理清思路。 3.全章重点 光干涉，衍射，偏振现象的理解。（为高中光学最主要的教学部分，日常生活中应用广泛，考试重点） 光的干涉、衍射、偏振相较于光的反射、折射更加抽像，光路图更多样化。 与课标的联系 （三）与课标的联系 本章重难点为，掌握光的折射定律公式、学会分析全反射光路图、掌握双缝干涉、单缝衍射实验、理解光的偏振过程、了解激光应用，其设置符合课标对此章节“理解光的折射定律。会测量材料的折射率。知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用”的要求。 双缝干涉、单缝衍射、薄膜干涉等实验的设置与课标学科素养中“科学探究”里的问题、证据、解释、交流等几个要素相吻合。章节中各个实验步骤的要求中，时时处处体现了学科素养中“科学态度与责任”的要求，既有严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度的反应，又有遵守道德规范、保护环境并推动可持续发展责任感的映射。 同时，每小节给出的例题的中也涉及到了物理模型分析、科学推理、分析综合等几大科学思维的应用。 二、“光的衍射”教学设计 (一)课标对此节要求 1.观察光的衍射现像 2. 了解产生此现象的途径 3. 演示单缝衍射现象 (二)“光的衍射”教材设计思路 首先提出问题，生活中为什么观察不到光衍射的现象，引起学生兴趣。在此基础上，讲解光的衍射，给出衍射光栅的图像。然后联系实际介绍泊松步亮斑与x射线衍射，最后的练习与应用中的情景引入均符合教材的知识概念。此设计思路满足课标上的所有要求，并有较强的科学性与逻辑性。 （三）此节与课标的联系 单缝衍射实验符合课标中“演示单缝衍射实验、观察单缝衍射的图样、进一步理解光的波动性”的要求。此实验过程的设置与课标学科素养中“科学探究”的问题、证据、解释、交流的几个要素相吻合，同时也体现了课标学科素养中实事求是、严谨认真的科学态度。 三、教学重难点 1.重点：单缝衍射实验的观察以及产生明显衍射现象的条件 2.难点：单缝衍射条纹的特点 四、教学目标 物理观念 1.通过实验观察。认识光的衍射现象,知道发生明显的光的衍射现象的条件,从而对光的波动性有进一步的认识。 2.通过单缝衍射装置的课堂演示实验。总结单缝衍射条纹的特点。 3.了解圆孔衍射和障碍物衍射。 科学思维 1.通过讨论和对单缝衍射狭缝的宽度改变,理解衍射的条件, 2.在认真观察课堂演示实验和自己动手观察衍射现象的基础上,总结归纳光的衍射的特点。 科学探究 自主学习单缝衍射实验的原理和实验过程，学生自主进行实验通过对实验的操作，提出问题、尝试解释、进行小组交流。 科学态度与责任 通过“×射线的衍射图样和 DNA 双螺旋结构”等科学小故事的学习,体验科学家坚定的自信心、踏实勤奋的工作态度和科学研究品德。 五、教学用具 激光笔、铁架台、光屏、游标卡尺、带圆孔的卡片、头发丝 六、教学过程 (一)课题引入 1.由两幅图片引出,什么是衍射现象 2.对比这两幅图,让同学回忆要发生明显衍射需要什么条件 学生通过讨论得出这是水波的衍射现象,要发生明显衍射需要满足:障碍物或縫的尺寸跟波长差不多或者比波长小。 (二)新课教学 1.单缝衍射 【教师提问环节】 大家知道光也是一种波，那你在生活中见过光的衍射现象吗? 学生思考后给出回答 【教师实验演示】 教师准备一个单色光源，打开，在光屏上有一一个圆形亮斑，教师用游标卡尺做的宽度可调的狭缝(摆弄一下) 。 【教师提问学生】 要观察到光的衍射现象，狭缝大一点好还是小一点好呢? 学生可能有两种回答。（若回答错，教师要给出纠正：狭缝小一点衍射现象明显） 【教师对上述问题给出验证】 当众调小狭缝至是3mm左右，请学生仔细观察光斑，你们看到了什么? 学生会回答：光斑两边被狭缝边缘挡住了。 【教师给出说明】 现在光沿直线传播。 教师继续减小狭缝，调到1mm左右再试试，提问看到了什么 学生思考后回答：光斑变宽了。 【教师追问】 往哪边变宽？ 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出光衍射现象的概念：光斑往上下两边变宽，因为绕过去了，狭缝变窄时，光没有沿直线传播，而是绕过狭缝边缘，到达了相当宽的地方，这就是光的衍射现象。 【教师继续提问】 只有狭缝足够小的时候，才会有明显衍射现象，这说明发生明显衍射现象的条件是什么? 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出光衍射现象条件：狭缝、孔或障碍物的尺寸和光的波长差不多或比波长小。 知识过度：那么衍射图样还有哪些特征呢? 2.单缝衍射实验 【教师演示实验】 教师将桌子上有一个激光笔固定在铁架台上，当做光源，一个游 标卡尺固定在铁架台上，当做可调狭缝，一个可移动光屏，- -张白纸一- 只水彩笔。 -组四人，一人控制激光，一人调节狭缝大小，一人移动光屏，--人负责画出衍射图样。讲解好实验过程，同学们进行操作。(提醒实验时注意不要用激光照射人眼) 学生分组实验 【作品展示】 教师找到画的较好的作品：请这位作品的作者回答，你这样画的想法是什么? 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 正确回答：条纹是明暗相间的，中间是亮条纹，它是最亮最宽的。 【教师进行总结】( ppt展示) 单缝衍射特点一 ①明暗相间的条纹 ②中央亮条纹最亮，往两边逐渐变暗 ③中央亮条纹最宽，往两边逐渐变窄 【联系前课】 教师在此处联系前课：展示干涉图像照片提问学生它与衍射图像有什么区别呢？ 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出正确回答：它是等间距的，而我们今天学的单缝衍射图像是中央最亮最宽，两边变暗变窄，是不等间距的。正因为光存在干涉和衍射现象，说明光是一种波。 【教师提问】 继续减小狭缝的宽度衍射图样会发生什么变化呢? 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出正确回答：中央亮条纹越来越宽，因为狭缝越窄，衍射现象应该越明显，所以会越宽。 【教师进行演示】（PPT） 【教师总结】 狭缝越窄，衍射现象越明显，光绕过狭缝边缘到了更宽的地方。 单缝衍射特点二 狭缝越窄，中央亮条纹越宽。 【教师提问】 保持狭缝宽度不变，换成绿光呢? 【教师实验演示】 先把红光衍射中央亮条纹用红水笔圈出来，再换用绿光，用黑水笔把中央亮条纹圈出来。 【教师边操作便提问】 谁的中央亮条纹更宽?（注意，这里宽是指绕过狭缝两边的宽度） 学生会回答:红光的波长比绿光长 单缝衍射特点三 当狭缝-定时，光的波长越长，中央亮条纹越宽。 【教师提问】 如果用白光作光源呢? 教师让同学们操作：把两只笔夹紧，平行于日光灯观看。 (学生观看) 【教师提问】 看到了什么? 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出正确回答：有彩色的条纹，中央亮纹是白色，两边是彩色的条纹。 老师用手机摄像头作为眼睛，在镜子背面画一条细缝， 透过细缝观看日光灯，把现象拍照下来，同学们看看，彩色条纹靠近白光的内侧是什么颜色，外侧是什么颜色? 学生思考后回答(可能有错误，教师给出纠正与解释) 教师给出正确回答：内侧是紫色的，外侧是红色的 教师总结白光颜色现象(PPT 演示) 中间条纹是白色，两边是明暗相间的彩色条纹，靠近中间的内侧是紫色，外侧是红色。 （三）学以致用 1.圆孔衍射 【教师提问】 狭缝两边的障碍物是直线的，所以衍射条纹是直线，如果周围障碍物是圆形呢，会形成什么样的衍射图样? 同学分组讨论并画出猜想。 (学生讨论活动) 教师找到画的比较好的同学进行展示 教师给出正确图样：圆形的，明暗相间的同心圆 【教师总结圆孔衍射的特点】(PPT 演示) 明暗相间的同心圆环，中央圆斑最亮，圆环向外逐渐变暗变细。 2.障碍物衔射 【教师提问】 通过前面的探究，光的确可以绕过狭缝的边缘发生衍射现象，如果换成障碍物，光能不能沿障碍物的边缘绕过去呢? 学生思考 【教师实验演示】 教师用粉笔进行实验 现象为:光被挡住，并且在光斑中出现了粉笔的阴影，将粉笔移近光源，还是被挡住。 教师请请同学用身边细的东西试一下，转动头发丝，图样也跟着旋转，光也是绕过障碍物的边缘，到达相当宽的地方，并且原来是阴影的地方，现在也是亮的，教师给出总结：光也绕到了障碍物的背面，障碍物越细，光的衍射现象越明显。 3.小科普 DNA的双螺旋结构就是通过x射线的衍射图样发现的。 (四)衍射图样展示 单缝衍射 衍射光栅 泊松亮斑 X射线衍射 (五)课堂小结 这节课我们通过单缝衍射、圆孔衍射、障碍物衍射实验的物理现象，了解了光的衍射的物理规律，物理从生活中来，又应用到生活。 （六）布置作业 课本习题例一、例二 (七)板书展示 光的衍射 单缝衍射（重点） 圆孔衍射 障碍物衍射 概念 概念 实验操作 实验操作 实验操作 实验现象 （多色波长类比） 实验现象 实验现象 实验结论 实验结论 学科网（北京）股份有限公司 $$