以“圓孔衍射”為例探討農林院校大學物理課堂教學

黨亞愛　李霞　劉云鵬　解迎革

摘 要 物理學是自然科學的基礎，物理學的研究方法對其他自然科學和技術科學具有重要的指導意義。本文結合農業院校的特點，利用問題導向法發揮并提高學生學習的主動性和創造性，在理論講解過程中注重理論與生活、科研的融合，以培養學生綜合素質和能力。

關鍵詞 《大學物理》 圓孔衍射 課堂教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

物理學作為一門自然科學、人文科學、思維科學等相互交叉、有機結合的綜合學科，是自然科學和現代工程技術的基礎，它對人類社會的進步、科學技術和經濟發展產生了巨大的推動作用。但由于《大學物理》涵蓋物理分支較多，課程內容理論性較強，學生學習興趣和主動性較差。如何提高課堂教學質量、激發學生的學習興趣、培養創新意識和創造能力等是目前我們急待解決而又具有重要意義的問題。

波動光學是農林院校大學物理教學中重點講授的內容之一，波動光學的學習有助于學生更好地理解光的本性及其應用，但學生在學習本章時往往感到理論性較強，公式太多而興趣索然。本文將以波動光學中的圓孔衍射課堂教學為例，以農林院校學生為對象，以提高課堂效率為出發點、培養并提高大學生的創新能力、實踐能力為目標，對農林院校大學物理課堂教學進行探討。

1問題引入，培養學生善于觀察、發現問題的能力

德國教育學家第斯多惠曾經說過：“教學的藝術不在于傳授本領，而在于激勵、喚醒和鼓舞”。教師講課首先要有精彩的開場白，從心理學上講，這叫首因效應，從一開始問題引入就抓住學生的注意力，才能讓課堂教學收到好的效果。在光的圓孔衍射課堂教學中，首先提出一些日常現象：為什么測視力的時候要站在固定的地方來看視力表？為什么天文望遠鏡的外形都比較龐大？為什么電子顯微鏡的放大倍數要遠遠大于光學顯微鏡？這一系列問題都有一個共同點，就是涉及到圓孔衍射，為了解決以上問題，先要分析什么是圓孔衍射，通過以上問題，導入課堂內容。

2現象分析及理論講解，培養學生分析、解決問題的能力

2.1圓孔衍射現象、裝置及衍射條紋特點

問題引入：在單縫遠場衍射的裝置中，將障礙物由單縫換成圓孔會出現什么現象？

動畫演示及現象：播放圓孔衍射的flash動畫，發現當圓孔的尺寸比較大時，在屏幕上出現與圓孔尺寸一樣的圓光斑，但當圓孔尺寸小到一定值時，發現屏幕中間是個亮斑，而外圍是一組亮度很小的明暗相間的同心圓環。通過播放flash，讓學生了解圓孔衍射現象及條件：只有當圓孔半徑小到一定程度時才會出現衍射現象。

圓孔衍射條紋特點分析：在圓孔衍射圖像中，第一暗環對應的衍射角 1稱為愛里斑的半角寬，理論計算（略）可得

1≈sin 1=0.61 /r=1.22 /d （1）

其中r和d分別為圓孔的半徑和直徑。

愛里斑半徑的計算：

如圖1（a）所示，若透鏡L2的焦距為f，則愛里斑的半徑為：

R=f tan 1≈1.22f （2）

由式（2）可知，d越大，衍射現象越不顯著； 越大或d越小，衍射現象越顯著，和單縫衍射結果類似。

分析：通過公式（2）可以看出，只有當圓孔直徑和波長接近時，愛里斑半徑才較大，才能觀察到比較明顯的衍射現象，而當圓孔直徑遠遠大于波長時，R趨近于零，衍射現象不明顯，這時符合光的直線傳播規律。可以簡略分析光的波粒二象性特征。

2.2光學儀器的分辨本領

2.2.1根據現象引入問題

美國教育家杜威也曾說過：“最好的教育就是從生活中學習”。物理學的根源是現象，而現象來源于生活。脫離了現實生活的物理必然是枯燥無味的。日常生活中我們經常會用到各種光學儀器，比如顯微鏡、望遠鏡等，包括人的眼睛，實際也是一臺高精密的光學元件，按照幾何光學，一個物點通過一個光學儀器形成的像是一個點，兩個物點形成的像總是分離的兩個像點。儀器的分辨能力應該不受物點距離限制的。但實際上各種光學儀器的放大率達到一定程度后，即使再增加放大率，儀器分辨物體細節的性能也不會再提高了，比如，光學顯微鏡，理論上改變物鏡和目鏡的焦距是可以提高放大倍數的，但現在的光學顯微鏡放大倍數最高不到2000倍，這種現象的原因是什么呢？

在這個過程中，可以和學生一起討論這些物理現象，以培養學生善于發現問題、提出問題的能力，并學會通過現象尋找物理本質的方法。

2.2.2瑞利判據講解：

對于光學儀器來說，如果一個物點S1的愛里斑的中心恰好與另一個物點S2的愛里斑邊緣（第一衍射極小）相重合，這時兩套衍射圖樣重疊區的光強度約為單個衍射圖樣的中央最大光強的80%，人眼睛剛剛能夠分辨出這兩個物點的像。這一條件稱為瑞利判據。

滿足瑞利判據的兩物點間的距離，就是光學儀器所能分辨的最小距離。此時兩個物點對透鏡中心所張的角 R稱為最小分辨角，。即

R= 1=1.22 /d （3）

即最小分辨角的大小由儀器孔徑d和光波的波長 決定。

2.2.3光學儀器的分辨率：

將光學儀器中的最小分辨角的倒數稱為儀器的分辨率。光學儀器的最小分辨角越小，分辨率就越高。（下轉第59頁）（上接第55頁）

思考：人的眼睛在明視距離時的最小分辨角和分辨距離分別是多少？光學顯微鏡及電子顯微鏡的最小分辨角受什么因素影響？怎么減小光學儀器的最小分辨角？

3問題拓展及課堂討論，培養學生理論聯系實際、學以致用的能力

在了解眼睛、光學顯微鏡及電子顯微鏡的最小分辨角的影響因素的基礎上，分析光學顯微鏡和電子顯微鏡分辨本領及其產生差異的原因，了解光學顯微鏡的油浸鏡頭。在課堂上對學生分組進行以下內容的討論：

為什么測視力的時候要站在固定的地方來看視力表？

為什么天文望遠鏡的外形都比較龐大？

光學顯微鏡的油浸鏡頭為什么可以比普通鏡頭的分辨率高？

為什么電子顯微鏡的放大倍數要遠遠大于光學顯微鏡？

通過以上問題的討論，把身邊的物理現象引入課堂，讓單調、枯燥的物理規律與生活實例對號入座，可以使學生會更容易接受新知識，并且認識到物理學習的重要性，從而對物理學習產生興趣、提高學習的自主性。另外，在對以上問題的討論中，可以培養大學生收集、分析問題的能力，培養大學生的探究精神和創新能力及學習與他人分享和合作的意識，為以后進入現代化社會打下良好的基礎。

4課堂總結，培養學生歸納總結問題的能力

通過對圓孔衍射基本原理及內容的講解及分析，了解提高儀器分辨率的方法主要有以下兩種：

（1）減小波長 ：電子顯微鏡是用電子衍射線的波動特性來觀察物體，它的波長可以小到0.1nm，從而大大提高電子顯微鏡的分辨率。

（2）增加物鏡直徑d：如天文望遠鏡，有的鏡頭直徑達6m。

5小結

《大學物理》是培養學生學習和思維能力的一門重要基礎課程，課堂教學中滲透的科學理念和思維方式將會使學生受益終身。圓孔衍射是光的波動性的一個重要內容，也是教學中的重點和難點之一。本課堂根據農業院校的特點，對一些實際現象凝練后提出科學問題，層層剝繭式的分析并解決科學問題。在課堂教學過程中，不斷提出問題以激發學生學習興趣，通過對問題的分析和討論發揮并提高學生學習的主動性和創造性，在理論講解過程中注重理論與生活、與科研的融合，以培養學生綜合素質和能力。

參考文獻

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