以“圓孔衍射”為例探討農(nóng)林院校大學(xué)物理課堂教學(xué)

黨亞愛(ài)　李霞　劉云鵬　解迎革

摘 要 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)的研究方法對(duì)其他自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)具有重要的指導(dǎo)意義。本文結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，利用問(wèn)題導(dǎo)向法發(fā)揮并提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在理論講解過(guò)程中注重理論與生活、科研的融合，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。

關(guān)鍵詞 《大學(xué)物理》 圓孔衍射 課堂教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

物理學(xué)作為一門(mén)自然科學(xué)、人文科學(xué)、思維科學(xué)等相互交叉、有機(jī)結(jié)合的綜合學(xué)科，是自然科學(xué)和現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)，它對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。但由于《大學(xué)物理》涵蓋物理分支較多，課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性較差。如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力等是目前我們急待解決而又具有重要意義的問(wèn)題。

波動(dòng)光學(xué)是農(nóng)林院校大學(xué)物理教學(xué)中重點(diǎn)講授的內(nèi)容之一，波動(dòng)光學(xué)的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生更好地理解光的本性及其應(yīng)用，但學(xué)生在學(xué)習(xí)本章時(shí)往往感到理論性較強(qiáng)，公式太多而興趣索然。本文將以波動(dòng)光學(xué)中的圓孔衍射課堂教學(xué)為例，以農(nóng)林院校學(xué)生為對(duì)象，以提高課堂效率為出發(fā)點(diǎn)、培養(yǎng)并提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力為目標(biāo)，對(duì)農(nóng)林院校大學(xué)物理課堂教學(xué)進(jìn)行探討。

1問(wèn)題引入，培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力

德國(guó)教育學(xué)家第斯多惠曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“教學(xué)的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于激勵(lì)、喚醒和鼓舞”。教師講課首先要有精彩的開(kāi)場(chǎng)白，從心理學(xué)上講，這叫首因效應(yīng)，從一開(kāi)始問(wèn)題引入就抓住學(xué)生的注意力，才能讓課堂教學(xué)收到好的效果。在光的圓孔衍射課堂教學(xué)中，首先提出一些日常現(xiàn)象：為什么測(cè)視力的時(shí)候要站在固定的地方來(lái)看視力表？為什么天文望遠(yuǎn)鏡的外形都比較龐大？為什么電子顯微鏡的放大倍數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡？這一系列問(wèn)題都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是涉及到圓孔衍射，為了解決以上問(wèn)題，先要分析什么是圓孔衍射，通過(guò)以上問(wèn)題，導(dǎo)入課堂內(nèi)容。

2現(xiàn)象分析及理論講解，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力

2.1圓孔衍射現(xiàn)象、裝置及衍射條紋特點(diǎn)

問(wèn)題引入：在單縫遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的裝置中，將障礙物由單縫換成圓孔會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

動(dòng)畫(huà)演示及現(xiàn)象：播放圓孔衍射的flash動(dòng)畫(huà)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓孔的尺寸比較大時(shí)，在屏幕上出現(xiàn)與圓孔尺寸一樣的圓光斑，但當(dāng)圓孔尺寸小到一定值時(shí)，發(fā)現(xiàn)屏幕中間是個(gè)亮斑，而外圍是一組亮度很小的明暗相間的同心圓環(huán)。通過(guò)播放flash，讓學(xué)生了解圓孔衍射現(xiàn)象及條件：只有當(dāng)圓孔半徑小到一定程度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。

圓孔衍射條紋特點(diǎn)分析：在圓孔衍射圖像中，第一暗環(huán)對(duì)應(yīng)的衍射角 1稱(chēng)為愛(ài)里斑的半角寬，理論計(jì)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(ài)里斑半徑的計(jì)算：

如圖1（a）所示，若透鏡L2的焦距為f，則愛(ài)里斑的半徑為：

R=f tan 1≈1.22f （2）

由式（2）可知，d越大，衍射現(xiàn)象越不顯著； 越大或d越小，衍射現(xiàn)象越顯著，和單縫衍射結(jié)果類(lèi)似。

分析：通過(guò)公式（2）可以看出，只有當(dāng)圓孔直徑和波長(zhǎng)接近時(shí)，愛(ài)里斑半徑才較大，才能觀察到比較明顯的衍射現(xiàn)象，而當(dāng)圓孔直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，R趨近于零，衍射現(xiàn)象不明顯，這時(shí)符合光的直線(xiàn)傳播規(guī)律。可以簡(jiǎn)略分析光的波粒二象性特征。

2.2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)

2.2.1根據(jù)現(xiàn)象引入問(wèn)題

美國(guó)教育家杜威也曾說(shuō)過(guò)：“最好的教育就是從生活中學(xué)習(xí)”。物理學(xué)的根源是現(xiàn)象，而現(xiàn)象來(lái)源于生活。脫離了現(xiàn)實(shí)生活的物理必然是枯燥無(wú)味的。日常生活中我們經(jīng)常會(huì)用到各種光學(xué)儀器，比如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等，包括人的眼睛，實(shí)際也是一臺(tái)高精密的光學(xué)元件，按照幾何光學(xué)，一個(gè)物點(diǎn)通過(guò)一個(gè)光學(xué)儀器形成的像是一個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)物點(diǎn)形成的像總是分離的兩個(gè)像點(diǎn)。儀器的分辨能力應(yīng)該不受物點(diǎn)距離限制的。但實(shí)際上各種光學(xué)儀器的放大率達(dá)到一定程度后，即使再增加放大率，儀器分辨物體細(xì)節(jié)的性能也不會(huì)再提高了，比如，光學(xué)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(shù)的，但現(xiàn)在的光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)最高不到2000倍，這種現(xiàn)象的原因是什么呢？

在這個(gè)過(guò)程中，可以和學(xué)生一起討論這些物理現(xiàn)象，以培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的能力，并學(xué)會(huì)通過(guò)現(xiàn)象尋找物理本質(zhì)的方法。

2.2.2瑞利判據(jù)講解：

對(duì)于光學(xué)儀器來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)物點(diǎn)S1的愛(ài)里斑的中心恰好與另一個(gè)物點(diǎn)S2的愛(ài)里斑邊緣（第一衍射極小）相重合，這時(shí)兩套衍射圖樣重疊區(qū)的光強(qiáng)度約為單個(gè)衍射圖樣的中央最大光強(qiáng)的80%，人眼睛剛剛能夠分辨出這兩個(gè)物點(diǎn)的像。這一條件稱(chēng)為瑞利判據(jù)。

滿(mǎn)足瑞利判據(jù)的兩物點(diǎn)間的距離，就是光學(xué)儀器所能分辨的最小距離。此時(shí)兩個(gè)物點(diǎn)對(duì)透鏡中心所張的角 R稱(chēng)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(zhǎng) 決定。

2.2.3光學(xué)儀器的分辨率：

將光學(xué)儀器中的最小分辨角的倒數(shù)稱(chēng)為儀器的分辨率。光學(xué)儀器的最小分辨角越小，分辨率就越高。（下轉(zhuǎn)第59頁(yè)）（上接第55頁(yè)）

思考：人的眼睛在明視距離時(shí)的最小分辨角和分辨距離分別是多少？光學(xué)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(xué)儀器的最小分辨角？

3問(wèn)題拓展及課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的能力

在了解眼睛、光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡的最小分辨角的影響因素的基礎(chǔ)上，分析光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡分辨本領(lǐng)及其產(chǎn)生差異的原因，了解光學(xué)顯微鏡的油浸鏡頭。在課堂上對(duì)學(xué)生分組進(jìn)行以下內(nèi)容的討論：

為什么測(cè)視力的時(shí)候要站在固定的地方來(lái)看視力表？

為什么天文望遠(yuǎn)鏡的外形都比較龐大？

光學(xué)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(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡？

通過(guò)以上問(wèn)題的討論，把身邊的物理現(xiàn)象引入課堂，讓單調(diào)、枯燥的物理規(guī)律與生活實(shí)例對(duì)號(hào)入座，可以使學(xué)生會(huì)更容易接受新知識(shí)，并且認(rèn)識(shí)到物理學(xué)習(xí)的重要性，從而對(duì)物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣、提高學(xué)習(xí)的自主性。另外，在對(duì)以上問(wèn)題的討論中，可以培養(yǎng)大學(xué)生收集、分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)大學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新能力及學(xué)習(xí)與他人分享和合作的意識(shí)，為以后進(jìn)入現(xiàn)代化社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)。

4課堂總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)問(wèn)題的能力

通過(guò)對(duì)圓孔衍射基本原理及內(nèi)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(zhǎng) ：電子顯微鏡是用電子衍射線(xiàn)的波動(dòng)特性來(lái)觀察物體，它的波長(zhǎng)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(yuǎn)鏡，有的鏡頭直徑達(dá)6m。

5小結(jié)

《大學(xué)物理》是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和思維能力的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，課堂教學(xué)中滲透的科學(xué)理念和思維方式將會(huì)使學(xué)生受益終身。圓孔衍射是光的波動(dòng)性的一個(gè)重要內(nèi)容，也是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本課堂根據(jù)農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，對(duì)一些實(shí)際現(xiàn)象凝練后提出科學(xué)問(wèn)題，層層剝繭式的分析并解決科學(xué)問(wèn)題。在課堂教學(xué)過(guò)程中，不斷提出問(wèn)題以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析和討論發(fā)揮并提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在理論講解過(guò)程中注重理論與生活、與科研的融合，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。

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