用手電筒演示光的衍射

延安

【摘要】用手電筒就可以得到比較理想的衍射現(xiàn)象。本設(shè)計的目的是演示波的衍射現(xiàn)象，而實驗中用光明顯的體現(xiàn)了“繞過障礙物傳播”的特點。本設(shè)計步驟簡單，對于高一學(xué)生來說，完全可以自己動手體驗。而且很容易得到理想的實驗結(jié)果，成功率非常高。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理 實驗設(shè)計 衍射

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0182-02

機(jī)械波是高一物理第四章“周期運(yùn)動”中的重點內(nèi)容之一，在進(jìn)行這部分的教學(xué)時，難免涉及到干涉與衍射現(xiàn)象。雖然基礎(chǔ)教材上沒有提及這部分內(nèi)容，但是多數(shù)普高及以上類別的高中都會將其補(bǔ)充進(jìn)教學(xué)內(nèi)容中。由于是一所錄取分較低的普高，我們學(xué)校的學(xué)生多數(shù)理解能力和想象能力較差，在學(xué)習(xí)衍射時普遍有很大困難。學(xué)生可以記憶“衍射”的概念，卻無法想象衍射現(xiàn)象。

中學(xué)使用的衍射實驗器材主要有兩種，分別是使用水波和激光形成衍射現(xiàn)象。但是前者現(xiàn)象不明顯，后者不容易觀察，都不適合在教室里演示。我一直在想，如何能用一些常見的器材向?qū)W生清楚地演示這一現(xiàn)象。后來經(jīng)過幾次實驗，我發(fā)現(xiàn)用手電筒就可以得到比較理想的衍射現(xiàn)象。

一、實驗設(shè)計

1.實驗器材

手電筒、一元硬幣、半透明塑料板、支架

2.實驗?zāi)康?/p>

（1）教會學(xué)生用實驗研究物理現(xiàn)象與規(guī)律，包括：正確選擇實驗方法與實驗器材；學(xué)會控制實驗條件；知道如何實驗、判斷結(jié)果的可靠程度。

（2）幫助學(xué)生理解和掌握有關(guān)課程內(nèi)容和重要的物理概念，以形成物理思想，培養(yǎng)解決物理問題的能力。

（3）通過實驗培養(yǎng)掌握基本物理量的測量方法，以培養(yǎng)實驗技能。

（4）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度、科學(xué)的實驗方法及良好的實驗習(xí)慣。

3.設(shè)計思路

“衍射”的主要特點就是“波繞過障礙物”，因此我的設(shè)計也就是讓學(xué)生看到障礙物無法擋住光。在初二剛接觸物理時，學(xué)生首先學(xué)習(xí)的內(nèi)容之一就是光學(xué)，而光學(xué)中的第一條規(guī)律就是“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”。即使已經(jīng)升到高一，多數(shù)學(xué)生對于這條規(guī)律仍然是記憶深刻。我的實驗就是要打破他們頭腦中的定式，讓他們看到光不沿直線傳播，從而引起他們的思考。通過推翻原有概念，來建立新的概念。

選用手電筒作為光源，主要是由于手電筒屬于常見物品，做出的實驗現(xiàn)象比較有說服力。如果按照教材中使用激光筆，形成的是一個小紅點，現(xiàn)象不明顯，而且學(xué)生會認(rèn)為做出的是激光特有的現(xiàn)象。由于本實驗是為了高一機(jī)械波內(nèi)容服務(wù)，不對光的本性進(jìn)行研究，只需要衍射的現(xiàn)象，因此用手電筒比激光更合適。而且手電筒的前方聚光罩比一元硬幣稍大，直接使用一元硬幣作為障礙物，可以得到圓環(huán)衍射的圖樣。

為了不遮擋學(xué)生視線，使用一塊半透明塑料板作為光屏。實驗中，我在光屏的一側(cè)操作，將光投射到光屏上，學(xué)生在另一側(cè)觀察。半透明塑料板可以用塑料文件袋來代替，效果相同。

4.實驗步驟

（1）不做任何遮擋，將手電筒的光投射到光屏上，讓學(xué)生記住此時光的形狀。

（2）用手指擋在光屏附近，形成“手影”。這一步符合初二物理中的典型實例，說明“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”。

（3）將手指向手電筒方向移動，原來光屏上手指的影子變淡、變模糊。提醒學(xué)生注意，原來被遮擋的陰影部分變亮，說明有光照射到這一區(qū)域。

（4）手指貼到手電筒上，此時在光屏上已經(jīng)完全看不到手指的影子，光的形狀與不用手指遮擋時幾乎相同。啟發(fā)學(xué)生思考，為什么手指擋不住光了。引出光也是一種波，當(dāng)障礙物比波長小或差不多時，會發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。

（5）將一枚一元硬幣用雙面膠帶粘在手電筒上，這時硬幣周圍還有一圈不到一毫米寬的縫隙，可以讓光透出。請學(xué)生猜想會看到怎樣的現(xiàn)象。

（6）光從圓環(huán)縫隙中透出，在光屏上形成的不是一個光環(huán)，而是多個同心圓環(huán)，而且在圓環(huán)中心有亮斑。

二、實驗反思

1.實驗原理科學(xué)

根據(jù)設(shè)計實驗的原則，演示實驗的物理現(xiàn)象應(yīng)該真實、正確地反映了實驗原理。原理的正確性要求不能弄虛作假、制造假象代替真實的物理現(xiàn)象來欺騙學(xué)生。實驗的誤差是不可避免的，但是決不能把一切不成功的實驗結(jié)果都?xì)w于誤差了事，而是要用正確的原理來解釋誤差。

本設(shè)計的目的是演示波的衍射現(xiàn)象，而實驗中用光明顯的體現(xiàn)了“繞過障礙物傳播”的特點。但是光不是機(jī)械波，與高一的教學(xué)內(nèi)容有所出入。

2.實驗設(shè)計有針對性

根據(jù)設(shè)計實驗的原則，設(shè)計的實驗一定要重點突出，結(jié)論直接。教材中某些重要的概念、規(guī)律等通過演示實驗歸納得出，比教師單純地講授更容易使學(xué)生接受。教材的某些重點、難點學(xué)生存在疑慮，必須通過實驗才能使學(xué)生真正地領(lǐng)會。

通過這次實驗，學(xué)生深刻體會到了光可以繞過障礙物，光可以發(fā)生衍射。不過隨之而來的是部分學(xué)生對光的本性的思考，對之前物理學(xué)習(xí)的質(zhì)疑。

3.器材選用合適

實驗器材的選擇要從多方面考慮，但首先要取材方便，經(jīng)濟(jì)實惠，且為學(xué)生所常見。麥克斯韋曾經(jīng)說過：“一項試驗，使用的材料越簡單，學(xué)生越熟悉，就越能透徹地獲得所驗證的結(jié)果。”在演示實驗時，為了能讓所有學(xué)生都清楚地觀察到實驗現(xiàn)象，經(jīng)常會一而再、再而三地重復(fù)實驗，故所選的實驗器材一定要經(jīng)得起“考驗”，不能在中途損壞而影響教學(xué)的正常進(jìn)行。

本設(shè)計的初衷之一，就是不使用容易引起學(xué)生新鮮感的專用器材，而使用常見器材，如手電筒。而且可以很方便的重復(fù)實驗，幾乎不存在器材損耗。

4.實驗步驟應(yīng)簡單易行

實驗的操作步驟應(yīng)盡量簡單。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣的實驗，往往會分散學(xué)生的注意力。只要演示實驗的科學(xué)性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯，越簡單越好。一般地說，觀察明顯、清晰的現(xiàn)象比觀察細(xì)微、模糊的現(xiàn)象效果更佳，學(xué)生興趣更濃。

本設(shè)計步驟簡單，對于高一學(xué)生來說，完全可以自己動手體驗。而且很容易得到理想的實驗結(jié)果，成功率非常高。

5.實驗現(xiàn)象應(yīng)直觀

教育心理學(xué)研究實踐證明，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不論是觀察、記憶、思維還是想象，沒有注意的參與是不行的。心理學(xué)研究表明：注意的指向性和集中性與刺激物的新異性有關(guān)，刻板的、千篇一律的習(xí)慣性刺激不易引起人們的注意。因此實驗的設(shè)計還要突出實驗現(xiàn)象的直觀、新奇有趣。現(xiàn)象越直觀，越有利于學(xué)生利用直覺思維，進(jìn)行有效學(xué)習(xí)。學(xué)生都有好奇心理，奇特的物理現(xiàn)象、出乎意料的實驗結(jié)論，都會在不同程度上激發(fā)起學(xué)生的求知欲望，從而促使學(xué)生更用心地學(xué)習(xí)。

本設(shè)計就是在光屏上看到光，只要能將光照到光屏上，就可以看到所期望的實驗現(xiàn)象。

三、小結(jié)

1.與教材實驗的比較

在物理拓展型課程（第二冊）的第72頁到74頁上，有光的衍射的學(xué)生實驗。但是教材上的實驗并不容易操作，實際我在實驗中，幾乎做不出來。對于綜合素質(zhì)較差的普通高中學(xué)生來說，就更不可能成功得出實驗現(xiàn)象。用手電筒進(jìn)行衍射實驗，相對來說，更適合在普通高中物理教學(xué)時采用。

2.對初中物理內(nèi)容的思考

光的直線傳播只是一種近似，但是在初中物理教學(xué)中，這一結(jié)論卻被表述為一句絕對的規(guī)律。雖然簡化了向?qū)W生做詳細(xì)解釋的麻煩，卻給高中物理教學(xué)帶來了一定影響。類似的問題還有不少，學(xué)生對初中內(nèi)容記憶過于深刻，反而無法快速接受高中內(nèi)容。由此可見，初、高中物理內(nèi)容的銜接研究還是非常有必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉梅，當(dāng)代教育論壇2007（4），中學(xué)物理課程網(wǎng)，http：//phys.cersp.com

[2]物理拓展型課程（第二冊），上海市中小學(xué)（幼兒園）課程改革委員會，華東師范大學(xué)出版社，2008年12月