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当前位置: 首页 > 专项活动 > 创新实验室应用案例征集

【物理数字化实验室应用案例】观察光的衍射现象

来源:自治区教育装备技术中心(电化教育馆) 发布日期:2024-09-20 19:25 
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         实验教学素养目标:

物理观念

1.了解光的衍射现象。

2.知道衍射是波的特性。

科学思维

通过观察得出光明显衍射的条件。

科学探究

经历光的衍射实验的过程,体会衍射是波的特性,进一步认识光的波动性。

科学态度与责任

1.让学生知道科学研究必须重视理论的指导作用和实践的检验作用; 

2.科学研究必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度; 

3.通过生活中实例观察,引导学生体会物理之美,培养学习兴趣。

实验资源:数字实验系统,白光光源,光源单缝,衍射单缝,观察筒,蓝紫、红、绿激光光源,扩束透镜,可调狭缝,衍射光栅片,单丝,单缝,圆孔等,滚珠,大头针,磁铁,,光强分布传感器,光屏

实验设计与创新点:

由于光的衍射实验现象在教室里可视度很低,因此大部分教学中光的衍射现象都是通过图片的形式展示给学生;本节加入数字采集设备,选用红色绿色蓝紫色高亮度激光器激做主要光源,并合理选用扩束透镜,自制衍射设备,实验现象明显,可视度高,对环境要求低,解决了该实验的教学难点,符合学生的认知规律。教学中以光的衍射现象的实验为线索,运用观察、类比等多种教学方法认识光的衍射现象以及光的明显衍射现象的条件,并进一步通过实验了解光的衍射现象在现代科技中的应用。

         1.下图为自制单缝衍射设备可调节狭缝宽度,光源经扩束后照射可调狭缝,可演示衍射现象与障碍物尺度关系,效果明显。随着可调狭缝宽度的变窄,衍射图样渐渐出现,缝越来越窄,衍射条纹越宽,衍射现象越明显。本实验要注意,由于可调狭缝精度不如衍射单缝,故对光源要求较高,需要由氦氖激光器完成。






2.下图为蓝紫光衍射设备,可换光源,对比不同波长光波衍射。人眼对蓝紫光不敏感,想要完成蓝紫光衍射图样的直接观察,对实验设计和光源的要求较高。







3.下图为单缝、单丝、圆孔衍射仪。由双棱镜实验仪自己改制而成,由单色光源直接照射单丝等,可在光屏上观察到相应衍射图像,有光学轨道上的辅助,共轴更好调节,实验进程加快。







4、光的衍射数字实验系统,可观察各个条文亮度,更换原光源可观察不同光波的衍射情况。将衍射条纹的亮度关系转化成可测量的物理量,非常直观,也可量化。

5.自制泊松亮斑实验器。将大头针吸到磁铁上,再将滚珠吸到大头针针尖,这样就会得到悬浮圆盘的效果,激光必须经扩束覆盖滚珠,此时在光屏上即出现衍射图像,仔细观察会在中心发现一个亮斑,即泊松亮斑,边上的衍射条也纹清晰明亮。







实验教学过程:

一、探究产生明显衍射的条件

实验装置1:红色激光光源,扩束透镜,可调狭缝,光屏。

实验过程用单色平行光照射狭缝,调节狭缝宽度,当狭缝较宽时,光屏上只有狭缝透过的光斑,没有观察到衍射现象;逐渐调节狭缝,当缝很窄时,光没有沿直线传播,它绕过了缝的边缘,传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。

实验结论:障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射。

探究波长一定的情况下,衍射现象与障碍物尺寸的关系。

装置同上,观察在波长一定的情况下,衍射条纹随着狭缝宽度的变化情况。随着狭缝宽度变窄,虽然亮度降低,但衍射条纹变宽,衍射现象更明显

实验结论:对某种波长的光,障碍物越小,衍射现象越明显。

探究缝宽一定的情况下,衍射现象与光波长的关系。

实验装置2:红色,绿色、蓝紫色激光光源(红光波长632.8nm,绿光波长532nm,蓝紫光405nm),衍射单缝,光屏(带刻度)

实验过程:用三色激光分别照射衍射单缝,注意光源到单缝与光屏的距离不变,观察衍射条纹的变化,以光屏刻度辅助参考,观察到红光衍射条纹宽度大于绿色的,蓝紫光条纹最窄。

实验结论:对同样的障碍物,波长越长的光,衍射现象越明显。

二、用光强分布传感器探究衍射现象

实验装置3:光源(红色,绿色、蓝紫色激光光源),衍射单缝(宽度分别为0.10和0.08)光强分布传感器,数字实验系统。

实验过程:1.光源到狭缝、传感器距离一定,观察三种光的衍射条纹光强分布图。

2.用红色光源(衍射现象相对明显)狭缝分别为两种宽度,观察光强分布图相变化。

实验结论:对同样的障碍物,波长越长的光,衍射现象越明显;对某种波长的光,障碍物越小,衍射现象越明显。传感器能够看到中央主条纹光强最大,衍射条纹两侧对称分布,条纹间距和实验2,3得出结论相同。

三、白光的干涉条纹

实验装置4:白光光源,光源单缝,衍射单缝,观察屏,光具座。实验过程:将实验装置安装好,调节等高共轴,打开光源, 安装光源单缝,调节衍射单缝位置,直到观察到白光的衍射条纹。实验现象:在观察屏上观察到彩色的条纹,中央条纹为白色亮条纹,两侧为彩色条纹,且外侧呈红色,靠近白色亮条纹的内侧为紫色。

四、光栅衍射,单丝衍射,圆孔衍射等衍射现象观察有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件。狭缝的个数越多,衍射条纹的宽度越窄,亮度越亮。分为反射光栅和透射光栅。

实验装置5:激光光源,光栅,圆孔,观察屏。

实验现象:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度变窄,亮度增加。单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,亮环亮度越低。

五、泊松亮斑

光照到不透光的圆盘上时也有衍射现象发生,在圆盘的影子的中心还有一个亮斑,关于这个亮斑还有一则故事。阅读课本上“泊松亮斑”。 

现在我们用小钢珠代替不透光的圆盘,来寻找“泊松亮斑”。 

实验装置:氦氖激光器,扩束透镜,磁铁,大头针,滚珠,光屏。

将大头针吸到磁铁上,再将滚珠吸到大头针针尖,经扩束的激光完全覆盖滚珠,在光屏上即出现衍射图像,仔细观察会在中心发现一个亮斑,即泊松亮斑。

教学反思:本节课教学效果较好,主要体现在: 

1、结合生活实例,创设物理情景,启发引导学生,帮助学生建立形象直观的认识,提高课堂教学和学习的效率。  

2、在学法上突出学生自主发现问题,开展合作交流,引导分析总结等以学生为主体的特点,较好地将新课程理念结合于教学实际中。

3、本节课内容充实,能力层次逐渐提高,针对不同层次的学生进行有效的教学。

4.由于时间紧张未能设计一个实验装置可以同时完成不同色光的衍射。

实践作业:

1.调节游标卡尺观察光的衍射现象 

2.用针尖在平面镜背面划出细小图案,观察其衍射现象

3.头发丝的衍射现象 


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【物理数字化实验室应用案例】观察光的衍射现象
来源:自治区教育装备技术中心(电化教育馆)
发布日期:2024-09-20 19:25

         实验教学素养目标:

物理观念

1.了解光的衍射现象。

2.知道衍射是波的特性。

科学思维

通过观察得出光明显衍射的条件。

科学探究

经历光的衍射实验的过程,体会衍射是波的特性,进一步认识光的波动性。

科学态度与责任

1.让学生知道科学研究必须重视理论的指导作用和实践的检验作用; 

2.科学研究必须要有坚定的自信心和踏实勤奋的态度; 

3.通过生活中实例观察,引导学生体会物理之美,培养学习兴趣。

实验资源:数字实验系统,白光光源,光源单缝,衍射单缝,观察筒,蓝紫、红、绿激光光源,扩束透镜,可调狭缝,衍射光栅片,单丝,单缝,圆孔等,滚珠,大头针,磁铁,,光强分布传感器,光屏

实验设计与创新点:

由于光的衍射实验现象在教室里可视度很低,因此大部分教学中光的衍射现象都是通过图片的形式展示给学生;本节加入数字采集设备,选用红色绿色蓝紫色高亮度激光器激做主要光源,并合理选用扩束透镜,自制衍射设备,实验现象明显,可视度高,对环境要求低,解决了该实验的教学难点,符合学生的认知规律。教学中以光的衍射现象的实验为线索,运用观察、类比等多种教学方法认识光的衍射现象以及光的明显衍射现象的条件,并进一步通过实验了解光的衍射现象在现代科技中的应用。

         1.下图为自制单缝衍射设备可调节狭缝宽度,光源经扩束后照射可调狭缝,可演示衍射现象与障碍物尺度关系,效果明显。随着可调狭缝宽度的变窄,衍射图样渐渐出现,缝越来越窄,衍射条纹越宽,衍射现象越明显。本实验要注意,由于可调狭缝精度不如衍射单缝,故对光源要求较高,需要由氦氖激光器完成。






2.下图为蓝紫光衍射设备,可换光源,对比不同波长光波衍射。人眼对蓝紫光不敏感,想要完成蓝紫光衍射图样的直接观察,对实验设计和光源的要求较高。







3.下图为单缝、单丝、圆孔衍射仪。由双棱镜实验仪自己改制而成,由单色光源直接照射单丝等,可在光屏上观察到相应衍射图像,有光学轨道上的辅助,共轴更好调节,实验进程加快。







4、光的衍射数字实验系统,可观察各个条文亮度,更换原光源可观察不同光波的衍射情况。将衍射条纹的亮度关系转化成可测量的物理量,非常直观,也可量化。

5.自制泊松亮斑实验器。将大头针吸到磁铁上,再将滚珠吸到大头针针尖,这样就会得到悬浮圆盘的效果,激光必须经扩束覆盖滚珠,此时在光屏上即出现衍射图像,仔细观察会在中心发现一个亮斑,即泊松亮斑,边上的衍射条也纹清晰明亮。







实验教学过程:

一、探究产生明显衍射的条件

实验装置1:红色激光光源,扩束透镜,可调狭缝,光屏。

实验过程用单色平行光照射狭缝,调节狭缝宽度,当狭缝较宽时,光屏上只有狭缝透过的光斑,没有观察到衍射现象;逐渐调节狭缝,当缝很窄时,光没有沿直线传播,它绕过了缝的边缘,传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现象。

实验结论:障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射。

探究波长一定的情况下,衍射现象与障碍物尺寸的关系。

装置同上,观察在波长一定的情况下,衍射条纹随着狭缝宽度的变化情况。随着狭缝宽度变窄,虽然亮度降低,但衍射条纹变宽,衍射现象更明显

实验结论:对某种波长的光,障碍物越小,衍射现象越明显。

探究缝宽一定的情况下,衍射现象与光波长的关系。

实验装置2:红色,绿色、蓝紫色激光光源(红光波长632.8nm,绿光波长532nm,蓝紫光405nm),衍射单缝,光屏(带刻度)

实验过程:用三色激光分别照射衍射单缝,注意光源到单缝与光屏的距离不变,观察衍射条纹的变化,以光屏刻度辅助参考,观察到红光衍射条纹宽度大于绿色的,蓝紫光条纹最窄。

实验结论:对同样的障碍物,波长越长的光,衍射现象越明显。

二、用光强分布传感器探究衍射现象

实验装置3:光源(红色,绿色、蓝紫色激光光源),衍射单缝(宽度分别为0.10和0.08)光强分布传感器,数字实验系统。

实验过程:1.光源到狭缝、传感器距离一定,观察三种光的衍射条纹光强分布图。

2.用红色光源(衍射现象相对明显)狭缝分别为两种宽度,观察光强分布图相变化。

实验结论:对同样的障碍物,波长越长的光,衍射现象越明显;对某种波长的光,障碍物越小,衍射现象越明显。传感器能够看到中央主条纹光强最大,衍射条纹两侧对称分布,条纹间距和实验2,3得出结论相同。

三、白光的干涉条纹

实验装置4:白光光源,光源单缝,衍射单缝,观察屏,光具座。实验过程:将实验装置安装好,调节等高共轴,打开光源, 安装光源单缝,调节衍射单缝位置,直到观察到白光的衍射条纹。实验现象:在观察屏上观察到彩色的条纹,中央条纹为白色亮条纹,两侧为彩色条纹,且外侧呈红色,靠近白色亮条纹的内侧为紫色。

四、光栅衍射,单丝衍射,圆孔衍射等衍射现象观察有许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学元件。狭缝的个数越多,衍射条纹的宽度越窄,亮度越亮。分为反射光栅和透射光栅。

实验装置5:激光光源,光栅,圆孔,观察屏。

实验现象:与单缝衍射相比,衍射条纹的宽度变窄,亮度增加。单色光的圆孔衍射图样中央亮圆的亮度大,外面是明暗相间的不等距的圆环。越向外,亮环亮度越低。

五、泊松亮斑

光照到不透光的圆盘上时也有衍射现象发生,在圆盘的影子的中心还有一个亮斑,关于这个亮斑还有一则故事。阅读课本上“泊松亮斑”。 

现在我们用小钢珠代替不透光的圆盘,来寻找“泊松亮斑”。 

实验装置:氦氖激光器,扩束透镜,磁铁,大头针,滚珠,光屏。

将大头针吸到磁铁上,再将滚珠吸到大头针针尖,经扩束的激光完全覆盖滚珠,在光屏上即出现衍射图像,仔细观察会在中心发现一个亮斑,即泊松亮斑。

教学反思:本节课教学效果较好,主要体现在: 

1、结合生活实例,创设物理情景,启发引导学生,帮助学生建立形象直观的认识,提高课堂教学和学习的效率。  

2、在学法上突出学生自主发现问题,开展合作交流,引导分析总结等以学生为主体的特点,较好地将新课程理念结合于教学实际中。

3、本节课内容充实,能力层次逐渐提高,针对不同层次的学生进行有效的教学。

4.由于时间紧张未能设计一个实验装置可以同时完成不同色光的衍射。

实践作业:

1.调节游标卡尺观察光的衍射现象 

2.用针尖在平面镜背面划出细小图案,观察其衍射现象

3.头发丝的衍射现象 


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