3. 光的衍射与偏振教案设计范例

三、光的衍射与偏振

教学目标

1．知道几何光学中所说的光沿直线传播是一种近似

2．知道光通过狭缝和圆孔的衍射现象，并能对生活中的有关现象进行解释和分析

3．知道观察到明显衍射的条件

4．知道振动中的偏振现象，了解什么是偏振现象，知道偏振是横波的特点

5．知道偏振光和自然光的区别，知道偏振光在实际生活中的应用

重点难点

重点：1．光的单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射现象的演示和分析

2．光的偏振实验的观察和分析

难点：1．光的单缝衍射、圆孔衍射和圆盘衍射现象的演示

2．光振动与自然光和偏振光的联系

设计思想 课本只要求学生初步了解光的衍射和偏振现象，不做理论讨论，因此与机械波类比和观察实验现象是十分重要的；要让学生能区分干涉图样与衍射图样的区别；让学生了解光的干涉和衍射说明光具有波动性；光的偏振说明光是横波。除了演示实验外，还应尽可能多地让学生自己动手做实验进行观察（观察小孔衍射(在铝箔或胶片上打出尺寸不同的小孔，以小电珠作光源，距光源1～2米

，眼睛靠近小孔观察光通过小孔的衍射花样--彩色圆环)。还可让学生通过羽毛、纱巾观看发光的灯丝(对见到的彩色花样可不作解释)；由学生自己亲自动手观察偏振光等等，

以补学生对这些现象的不熟悉和帮助学生理解）。

在本节教材中提到泊松亮斑--泊松原以为这下子可以驳倒菲涅尔的波动理论了，事与愿违，菲涅尔和阿拉果接受了泊松的挑战，用实验验证了这个理论结论，

实验却成了波动理论极其精彩的实证，菲涅尔为此获得了科学奖金(1819年)。这个科学小故事告诉我们，在科学研究上必须重视理论的指导作用和实践的检验作用；作为科研工作者，必须有坚定的自信心和踏实勤奋的工作态度。今天的学习，在掌握知识的同时，也应培养自己这方面的好品

质、好作风。

教学资源 激光光学演示仪、单缝、小孔、圆盘、大头钉、柔软的长绳一根，带有狭缝的木

板两块，细软的弹簧一根，人造偏振片两片，投影仪、投影、多媒体课件等

教学设计

【课堂引入】

问题：波的基本特性有哪些？为什么我们平时较难观察到光的干涉现象？

追问：如果光的确是一种波，那么我们还应该能观察到光的衍射现象，为什么平时也较难观察到光的衍射现象？

为了进一步探索光的本性，我们将进一步研究光的波动性的其他表现——干涉与偏振。

【课堂学习】

学习活动一：观察光的单缝衍射现象

问题1：平时我们很容易观察到声波的衍射现象，为什么？

我们人耳能听到的声波的波长范围为1.7cm~17m，很容易绕过常见的障碍物而产生衍射现象。

（通过复习熟悉的知识，强调产生明显衍射现象的条件。）

1

问题2：为什么我们平时较难观察到光的衍射现象？

平常不易观察到光的衍射现象的原因（学生猜想）：

猜想1：光波的波长可能太短，正常生活中很难遇到如此小的线度的障碍物；

猜想2：即使存在较明显的衍射现象，但周围明亮的环境也可能干扰我们清晰地观察到；

猜想3：各种光波在衍射后彼此叠加，相互抵消了。

（通过引导学生自主分析，突出明显衍射的条件。激发学习兴趣）

问题3：我们该如何解决光的明显衍射的观察这一难题？

猜想1：用亮度更高的激光作为光源，以增加衍射光的亮度；

猜想2：降低周围环境的亮度，以突出衍射光；

猜想3：靠近物体边缘，用眼睛直接观察衍射光。

演示实验：光的单缝衍射现象（教师说明并演示，学生观察，并用语言描述相应的现象）

取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照

射，在缝后的墙壁上可清晰地显示明暗相间的条纹，但跟单色光的双缝干涉图案又有

不同。

总结：1、光的单缝衍射现象：中央明条纹两边对称分布明暗相间的条纹，且中央明条纹

最亮最宽，其宽度约为其它条纹宽度的两倍，其余明条纹的宽度由中心向外逐渐减小；

2、主要规律：缝越窄，衍射越明显（范围增大、条纹变宽），但条纹的亮度将变暗。

学生活动：学生通过两支铅笔缝观察日光灯灯光的衍射现象（强调因缝很细，故眼睛应紧靠

狭缝观察；通过改变手捏的松紧程度调节狭缝的宽度，可观察到衍射条纹的变化）。

总结：对衍射现象的研究表明，“光沿直线传播”只是一种特殊情况，在障碍物的尺寸可

以跟光的波长相比，甚至比光的波长还小的时候，衍射现象就十分明显，这时就不能

说光沿直线传播了；

学习活动二：观察光的圆孔衍射和圆盘衍射现象

问题1：除了狭缝，光遇到其他障碍物或小孔时的衍射是怎样的？

演示实验：光的圆孔衍射现象（明暗相间的同心圆，圆心处为亮点）

演示实验：光通过各种形状的小孔时衍射现象（衍射条纹可以反映出物体的形状信息）

（说明正是对光通过DNA分子后的衍射的研究，人们发现了DNA分子的双螺旋

结构。以此激发学生的学习兴趣）

问题2：猜想一下当光遇到线度很小的不透明的圆形障碍物（小圆盘）时的衍射现象如何？

追问：相应阴影的中央应该是亮点还是暗点？

演示实验：光的圆盘衍射现象（泊松亮斑）

介绍泊松亮斑及其发现过程：

A．菲涅耳（法）：运用数学工具分析了衍射规律；

B．数学家泊松进一步推算出，在一个不透光圆盘的阴影中心，应当存在一个亮

斑；认为不可能，并以此反驳光的波动说；

C．菲涅耳和阿拉果则坚信理论的正确性，并最终用实验验证了该亮斑的存在，

并因此荣获了1817年的英国皇家学会奖（书P86图）；

学习活动三：列举日常生活中常见的衍射现象

A．利用针孔（瞳孔衍射）； B．利用狭缝（两支铅笔间）；

C．利用细丝（自动控制）；D．利用羽毛（蚊帐、衣物）等

2

（过渡：波除了具有干涉和衍射等特外性，还有一些其他特性，例如横波还具有偏振的特性）

学习活动四：光的偏振

问题1：什么是波的偏振现象？

①

举例说说什么是横波？什么是纵波？

②

介绍课本图5.3.3装置，教师演示，引导学生仔细观察绳波遇到狭缝时的情况，看波能否通过狭缝传到栅栏的另一侧。

③

将以上实验中的细绳换成轻弹簧，进一步演示弹簧中的纵波可以通过与传播方向垂直的任意方向的狭缝。

总结：1、横波在它的传播方向上的狭缝，只要狭缝的方向横波的振动方向相同，横波就

可以毫无阻碍地传过去；如果把狭缝的方向旋转90°，横波就不能通过了，这种现象

叫偏振；

2、偏振是横波所特有的性质。

问题2：光是否也会产生偏振呢？

演示实验：光的偏振现象

1、自然光：从普通光源直接发生的天然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接

观察时不能发现光强偏于一定方向。这种沿着各个方向振动的光波的强度都相同的光

叫自然光；太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向的平面内沿一

切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波强度都相同，这种光都是自然光。

2、让太阳光或灯光通过一块用晶体薄片作成的偏振片P1，在P1的另一侧观察，可

以看到它是透明的。以入射光线为轴旋转偏振片P1，这时看到透射光的强度并不发

生变化。

3、再取一块同样的偏振片P1，放在偏振片P1的后面，通过它去观察从偏振片P1 透射过来的光，就会发现，从偏振片P1透射过来的光的强度跟两偏振片P1、P2的相

对方向有关。这一现象说明光波是横波。（书P88图）

（要求学生总结上述现象，尝试类比机械波的偏振来解释上面的实验现象：自然光通过第一个偏振片P1（叫起偏器）后，相当于被一个“狭缝”卡了一下，只有振动方向跟“狭缝”方向平行的光波才能通过．自然光通过偏振片P1后虽然变成了偏振光，但由于自然光中沿各个方向振动的光波强度都相同，所以不论晶片转到什么方向，都会有相同强度的光透射过来．再通过第二个偏振片P2（叫检偏器）去观察就不同了；不论旋转哪个偏振片，两偏振片透振方向平行时，透射光最强，两偏振片的透振方向垂直时，透射光最弱。）

总结：光的偏振现象并不罕见。我们通常看到的绝大部分光，除了从光源直接射过来的，基本上都不是自然光，只是我们的眼睛不能鉴别罢了。如果用偏振片去观察从玻璃或水面上反射的光，旋转偏振片发现透射光的强度也发生周期性的变化，从而知道反射光是偏振光。

问题3：偏振现象有哪些应用？

①

拍摄水面以下或橱窗内的物品时，在镜头前加装的滤光片

②

立体电影

③

汽车的挡风玻璃及头灯罩

④

液晶显示器等

3

【课堂小结】

问题1：常见的衍射现象有那些？

问题2：为什么平时很难见到光的衍射现象？

问题3：什么是“泊松亮斑”？

问题4：什么是光的偏振现象？光的偏振现象说明了什么？

问题5：光的偏振现象有哪些典型的应用？

【板书设计】

第三节 光的衍射与偏振

一、光的单缝衍射现象

1．现象：对称分布、明暗相间，且中央亮纹最亮最宽

2．主要规律：缝越窄，衍射越明显（范围增大、条纹变宽）

二、圆孔衍射和圆盘衍射（泊松亮斑）

三、单缝衍射现象与双缝干涉现象的异同

四、光的偏振

1．偏振现象

自然光和偏振光

横波才有偏振现象

2．偏振现象的常见应用

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