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象。本設計的目的是演示波的衍射現象，而實驗中用光明顯的體現了“繞過障礙物傳播”的特點。本設計步驟簡單，對于高一學生來說，完全可以自己動手體驗。而且很容易得到理想的實驗結果，成功率非常高。

【關鍵詞】中學物理 實驗設計 衍射

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

機械波是高一物理第四章“周期運動”中的重點內容之一，在進行這部分的教學時，難免涉及到干涉與衍射現象。雖然基礎教材上沒有提及這部分內容，但是多數普高及以上類別的高中都會將其補充進教學內容中。由于是一所錄取分較低的普高，我們學校的學生多數理解能力和想象能力較差，在學習衍射時普遍有很大困難。學生可以記憶“衍射”的概念，卻無法想象衍射現象。

中學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象。但是前者現象不明顯，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學生清楚地演示這一現象。后來經過幾次實驗，我發現用手電筒就可以得到比較理想的衍射現象。

一、實驗設計

1.實驗器材

手電筒、一元硬幣、半透明塑料板、支架

2.實驗目的

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

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

（3）通過實驗培養掌握基本物理量的測量方法，以培養實驗技能。

（4）培養學生嚴謹的實驗態度、科學的實驗方法及良好的實驗習慣。

3.設計思路

“衍射”的主要特點就是“波繞過障礙物”，因此我的設計也就是讓學生看到障礙物無法擋住光。在初二剛接觸物理時，學生首先學習的內容之一就是光學，而光學中的第一條規律就是“光在同種均勻介質中沿直線傳播”。即使已經升到高一，多數學生對于這條規律仍然是記憶深刻。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，現象不明顯，而且學生會認為做出的是激光特有的現象。由于本實驗是為了高一機械波內容服務，不對光的本性進行研究，只需要衍射的現象，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，可以得到圓環衍射的圖樣。

為了不遮擋學生視線，使用一塊半透明塑料板作為光屏。實驗中，我在光屏的一側操作，將光投射到光屏上，學生在另一側觀察。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域。

（4）手指貼到手電筒上，此時在光屏上已經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。啟發學生思考，為什么手指擋不住光了。引出光也是一種波，當障礙物比波長小或差不多時，會發生明顯衍射現象。

（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。請學生猜想會看到怎樣的現象。

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

二、實驗反思

1.實驗原理科學

根據設計實驗的原則，演示實驗的物理現象應該真實、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象來欺騙學生。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果都歸于誤差了事，而是要用正確的原理來解釋誤差。

本設計的目的是演示波的衍射現象，而實驗中用光明顯的體現了“繞過障礙物傳播”的特點。但是光不是機械波，與高一的教學內容有所出入。

2.實驗設計有針對性

根據設計實驗的原則，設計的實驗一定要重點突出，結論直接。教材中某些重要的概念、規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生接受。教材的某些重點、難點學生存在疑慮，必須通過實驗才能使學生真正地領會。

通過這次實驗，學生深刻體會到了光可以繞過障礙物，光可以發生衍射。不過隨之而來的是部分學生對光的本性的思考，對之前物理學習的質疑。

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，經濟實惠，且為學生所常見。麥克斯韋曾經說過：“一項試驗，使用的材料越簡單，學生越熟悉，就越能透徹地獲得所驗證的結果。”在演示實驗時，為了能讓所有學生都清楚地觀察到實驗現象，經常會一而再、再而三地重復實驗，故所選的實驗器材一定要經得起“考驗”，不能在中途損壞而影響教學的正常進行。

本設計的初衷之一，就是不使用容易引起學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實驗，幾乎不存在器材損耗。

4.實驗步驟應簡單易行

實驗的操作步驟應盡量簡單。結構復雜、操作繁瑣的實驗，往往會分散學生的注意力。只要演示實驗的科學性強，現象明顯，越簡單越好。一般地說，觀察明顯、清晰的現象比觀察細微、模糊的現象效果更佳，學生興趣更濃。

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

5.實驗現象應直觀

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

本設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象。

三、小結

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。對于綜合素質較差的普通高中學生來說，就更不可能成功得出實驗現象。用手電筒進行衍射實驗，相對來說，更適合在普通高中物理教學時采用。

2.對初中物理內容的思考

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

參考文獻：

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

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