光的衍射和漫反射現象教學創新與拓展

呂海軍 趙文輝 劉艷磊 張靜

摘要：在大學物理教學中，光的衍射現象和漫反射效應是必備的知識點。在理想條件下，夫瑯禾費單縫衍射中會有衍射光芒并帶有明暗相間條紋的出現，有色粉末的研磨程度越高，漫反射越強，顏色越深。把光的衍射現象和漫反射效應的演示帶入課堂，引導學生對影響現象的因素進行探討，并給出合理的解釋。

關鍵詞：衍射；光闌；光芒；漫反射；研磨程度

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0156-02

一、光的衍射

（一）光衍射現象教學

衍射是波動在傳播路徑上遇到障礙物后，繞過障礙物的邊緣而進入幾何陰影內傳播的現象。在我們的生活中，衍射現象處處存在。例如在一堵隔音墻兩側的人可以相互聽到對方講話；在夜間看路邊亮燈時，會看到許多大小不一的星芒從亮燈周圍向外發散。

惠更斯—菲涅爾原理是研究衍射現象的理論基礎[1]，可以定性的解決衍射波傳播方向的問題。衍射依據光源與光闌之間的距離的大小分為兩類：第一類為菲涅爾衍射，光源與光闌距離有限遠，進入光闌的光線非平行光；第二類為夫瑯禾費衍射，光源與光闌距離無限遠，進入光闌的光線為平行光[2]。

課堂教學中以單縫夫瑯禾費衍射為例，利用半波帶法，討論并給出了各級明條紋在接收屏上的位置分布和明紋的寬度，并且從理論推導中總結出了條紋的特點。單縫衍射有兩條由明暗相間條紋排列組成的衍射光芒，衍射光芒的方向分別指向邊的單縫的外法線方向；衍射光芒中存在明暗相間條紋，除中央明紋外，其他條紋寬度相等，中央明紋的寬度為其他明紋寬度的兩倍；單縫寬度和光波長影響衍射程度，單縫寬度越小，波長越大，明紋越寬，衍射現象越明顯[3-6]。

（二）光衍射現象教學創新與拓展

利用仿真軟件研究單縫夫瑯禾費衍射的實驗現象，在仿真實驗中發現，單縫衍射中除中央明條紋外的其他明條紋并不等寬，而是隨著與中央明紋距離的增大而變窄，直至最后消失。探討理論計算和仿真實驗的差異可以作為光衍射部分教學的拓展。

經過分析得到，當光束發生衍射時，并不是所有的光束都偏折，而是每一個偏轉角內僅有一定量的光偏折，偏轉角越大，光程越大，到達屏幕的光強減小，由于外圍明紋的光強越來越小，暗紋與明紋的邊界線漸漸變暗而難以分清，因此經常錯誤的認為明條紋越來越細，直至消失。在單縫衍射的光強分布圖中也可以發現，離中央明紋變遠，明條紋的寬度沒有變化，只是對應的光強減弱，進而造成明暗分界線模糊，誤認為明紋變窄[7，8]。

將單縫衍射的現象拓展到多邊形的光闌用于教學，從理論關系可以得到，不同形狀的光闌對應不同狀態的衍射情況，如圖1所示。三角形光闌對應6條衍射光芒，正方形光闌對應4條衍射光芒，正七邊形光闌對應14條衍射光芒，以此類推，在教學中演示光闌形狀與衍射光芒個數的關系。這種現象的產生主要是由光闌的形狀決定的，“哪里有壓迫，哪里就有反抗”，光闌的每個邊都會發生衍射現象，因此不同的光闌對應的衍射現象一般不相同。

從光闌的衍射現象可拓展到微小的障礙物的衍射現象，以此來豐富光衍射部分的課堂教學。

（三）討論參數對衍射的影響

單縫夫瑯禾費衍射中，縫寬a越小，衍射現象越明顯。這僅僅是對單縫而言，對于其他形狀的光闌，可以引導學生討論，是否會有光闌的通光孔徑越小、衍射現象越明顯的結論。可以在課堂上演示用多種不同參數的正七邊形光闌產生衍射并拍攝圖像，從左到右，光闌的最大通光直徑可選取2.27mm、2.50mm、2.78mm、3.13mm、3.57mm、3.85mm、4.55mm、5.00mm、5.56mm、6.25mm、7.04mm、7.94mm、8.93mm、10.00mm、12.50mm，相鄰兩者之間通光量為兩倍關系，獲得如圖2所示的圖像。從圖中可以明顯看到，隨著光闌通光孔徑的增大，衍射現象越來越弱，因此對光闌而言，其通光孔徑越小，衍射現象越明顯。

在單縫衍射實驗中，理論上我們得到的兩條星芒會有明暗紋交替分布，但是在實驗拍攝中卻未發現明暗條紋。在課堂實踐中使用白光光源進行拍攝，發現不存在明暗紋。通過分析發現，在衍射過程中，每種波長的光都會發生衍射現象。波長大的衍射明紋可能會將波長小的衍射暗紋覆蓋，進而我們觀察不到明暗紋分布。

二、漫反射現象

（一）漫反射現象教學

漫反射是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現象。漫反射效果越強，在單位體積處接收到的光強就越弱。對于有色粉末而言，例如鐵粉、銅粉等，隨著研磨程度的增加，顆粒直徑越來越小，當光照射到粉末表面時，漫反射增強，進入人眼的光強減弱，因此會認為粉末的表觀顏色變暗了[9]。在教學中通過實例詳細解釋漫反射現象，讓學生對這一現象有初步的了解。

（二）漫反射現象教學創新與拓展

通過課堂演示讓學生從感官上對漫反射現象有深刻的理解，進一步拓展，研究影響漫反射的參數。對于有色粉末，研磨程度越高，其表觀顏色越深。課堂演示150目與800目銅粉末表觀顏色，并將二者進行對比，得到800目的顏色深于150目銅的表觀顏色，得出材料的種類影響漫反射。同時，對不同研磨程度的鐵粉進行探究，通過實驗發現，其研磨程度與粉末表觀顏色深度并非正相關，而是在一定研磨程度后，其表觀顏色才會隨研磨程度的增加顏色加深，以此引導學生發現問題并解決問題。

經過分析發現，在鐵粉顆粒相對較大時，在發生漫反射的同時帶有一定的鏡面反射，鏡面反射會影響粉末表觀顏色部分像素點的RGB值。隨著研磨程度增加，鏡面反射影響程度減小，進而消失。

利用軟件對不同研磨程度的鐵粉的表觀顏色進行RGB分析，分析得出40目與150目銅粉的部分像素RGB分布不均勻，同時對不同程度的鐵粉進行電鏡掃描，在40目時，形狀極其不規則；在800目之后，表面已經較為圓滑，隨著研磨增加，顆粒趨向于球形，鏡面反射消失，全部轉化為漫反射。

利用實驗和分析引導學生得出，對于有色粉末，其表觀顏色受漫反射的影響。在一定研磨程度內，隨著研磨程度增加，漫反射增強，粉末表觀顏色變深。

三、結語

為改善光的衍射和漫反射現象課程內容的教學效果，提高人才培養素質，增強課堂知識與實際實驗的結合度，通過提出理論學習與實際實驗相異的現象，再次運用所學知識對相異的現象進行解釋。在實驗分析中，多用生活中的例子對其進行解釋，使得理論知識易被學生理解和接受，對提高學生對光的衍射和漫反射知識的掌握具有重要的意義。

參考文獻：

[1]趙凱華，鐘錫華.光學（上冊）[M].北京大學出版社，1984.

[2]孫偉民.單縫衍射圖樣的計算機仿真與分析[J].工科物理，1999，（02）.

[3]Wikipedia：Diffractionspike[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_spike

[4]Wikipedia：Diffraction[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction

[5]Wikipedia：Diaphragm（optics）[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diaphragm_（optics）

[6]趙言誠，姜海麗，劉艷磊.大學物理教程[M].北京：高等教育出版社，2014.

[7]石順祥，王學恩，馬琳.物理光學與應用光學[M].第三版.西安電子科技大學出版社，2000.

[8]黃金仙.光的衍射應用研究[J].通訊世界，2015，（24）.

[9]吳杰.淺析高中生物必修教材中實驗的顯色原理[J].赤子（上中旬），2014，（09）：115-116.