用手电筒演示光的衍射

延安

【摘要】用手电筒就可以得到比较理想的衍射现象。本设计的目的是演示波的衍射现象，而实验中用光明显的体现了“绕过障碍物传播”的特点。本设计步骤简单，对于高一学生来说，完全可以自己动手体验。而且很容易得到理想的实验结果，成功率非常高。

【关键词】中学物理 实验设计 衍射

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）04-0182-02

机械波是高一物理第四章“周期运动”中的重点内容之一，在进行这部分的教学时，难免涉及到干涉与衍射现象。虽然基础教材上没有提及这部分内容，但是多数普高及以上类别的高中都会将其补充进教学内容中。由于是一所录取分较低的普高，我们学校的学生多数理解能力和想象能力较差，在学习衍射时普遍有很大困难。学生可以记忆“衍射”的概念，却无法想象衍射现象。

中学使用的衍射实验器材主要有两种，分别是使用水波和激光形成衍射现象。但是前者现象不明显，后者不容易观察，都不适合在教室里演示。我一直在想，如何能用一些常见的器材向学生清楚地演示这一现象。后来经过几次实验，我发现用手电筒就可以得到比较理想的衍射现象。

一、实验设计

1.实验器材

手电筒、一元硬币、半透明塑料板、支架

2.实验目的

（1）教会学生用实验研究物理现象与规律，包括：正确选择实验方法与实验器材；学会控制实验条件；知道如何实验、判断结果的可靠程度。

（2）帮助学生理解和掌握有关课程内容和重要的物理概念，以形成物理思想，培养解决物理问题的能力。

（3）通过实验培养掌握基本物理量的测量方法，以培养实验技能。

（4）培养学生严谨的实验态度、科学的实验方法及良好的实验习惯。

3.设计思路

“衍射”的主要特点就是“波绕过障碍物”，因此我的设计也就是让学生看到障碍物无法挡住光。在初二刚接触物理时，学生首先学习的内容之一就是光学，而光学中的第一条规律就是“光在同种均匀介质中沿直线传播”。即使已经升到高一，多数学生对于这条规律仍然是记忆深刻。我的实验就是要打破他们头脑中的定式，让他们看到光不沿直线传播，从而引起他们的思考。通过推翻原有概念，来建立新的概念。

选用手电筒作为光源，主要是由于手电筒属于常见物品，做出的实验现象比较有说服力。如果按照教材中使用激光笔，形成的是一个小红点，现象不明显，而且学生会认为做出的是激光特有的现象。由于本实验是为了高一机械波内容服务，不对光的本性进行研究，只需要衍射的现象，因此用手电筒比激光更合适。而且手电筒的前方聚光罩比一元硬币稍大，直接使用一元硬币作为障碍物，可以得到圆环衍射的图样。

为了不遮挡学生视线，使用一块半透明塑料板作为光屏。实验中，我在光屏的一侧操作，将光投射到光屏上，学生在另一侧观察。半透明塑料板可以用塑料文件袋来代替，效果相同。

4.实验步骤

（1）不做任何遮挡，将手电筒的光投射到光屏上，让学生记住此时光的形状。

（2）用手指挡在光屏附近，形成“手影”。这一步符合初二物理中的典型实例，说明“光在同种均匀介质中沿直线传播”。

（3）将手指向手电筒方向移动，原来光屏上手指的影子变淡、变模糊。提醒学生注意，原来被遮挡的阴影部分变亮，说明有光照射到这一区域。

（4）手指贴到手电筒上，此时在光屏上已经完全看不到手指的影子，光的形状与不用手指遮挡时几乎相同。启发学生思考，为什么手指挡不住光了。引出光也是一种波，当障碍物比波长小或差不多时，会发生明显衍射现象。

（5）将一枚一元硬币用双面胶带粘在手电筒上，这时硬币周围还有一圈不到一毫米宽的缝隙，可以让光透出。请学生猜想会看到怎样的现象。

（6）光从圆环缝隙中透出，在光屏上形成的不是一个光环，而是多个同心圆环，而且在圆环中心有亮斑。

二、实验反思

1.实验原理科学

根据设计实验的原则，演示实验的物理现象应该真实、正确地反映了实验原理。原理的正确性要求不能弄虚作假、制造假象代替真实的物理现象来欺骗学生。实验的误差是不可避免的，但是决不能把一切不成功的实验结果都归于误差了事，而是要用正确的原理来解释误差。

本设计的目的是演示波的衍射现象，而实验中用光明显的体现了“绕过障碍物传播”的特点。但是光不是机械波，与高一的教学内容有所出入。

2.实验设计有针对性

根据设计实验的原则，设计的实验一定要重点突出，结论直接。教材中某些重要的概念、规律等通过演示实验归纳得出，比教师单纯地讲授更容易使学生接受。教材的某些重点、难点学生存在疑虑，必须通过实验才能使学生真正地领会。

通过这次实验，学生深刻体会到了光可以绕过障碍物，光可以发生衍射。不过随之而来的是部分学生对光的本性的思考，对之前物理学习的质疑。

3.器材选用合适

实验器材的选择要从多方面考虑，但首先要取材方便，经济实惠，且为学生所常见。麦克斯韦曾经说过：“一项试验，使用的材料越简单，学生越熟悉，就越能透彻地获得所验证的结果。”在演示实验时，为了能让所有学生都清楚地观察到实验现象，经常会一而再、再而三地重复实验，故所选的实验器材一定要经得起“考验”，不能在中途损坏而影响教学的正常进行。

本设计的初衷之一，就是不使用容易引起学生新鲜感的专用器材，而使用常见器材，如手电筒。而且可以很方便的重复实验，几乎不存在器材损耗。

4.实验步骤应简单易行

实验的操作步骤应尽量简单。结构复杂、操作繁琐的实验，往往会分散学生的注意力。只要演示实验的科学性强，现象明显，越简单越好。一般地说，观察明显、清晰的现象比观察细微、模糊的现象效果更佳，学生兴趣更浓。

本设计步骤简单，对于高一学生来说，完全可以自己动手体验。而且很容易得到理想的实验结果，成功率非常高。

5.实验现象应直观

教育心理学研究实践证明，学生在学习过程中，不论是观察、记忆、思维还是想象，没有注意的参与是不行的。心理学研究表明：注意的指向性和集中性与刺激物的新异性有关，刻板的、千篇一律的习惯性刺激不易引起人们的注意。因此实验的设计还要突出实验现象的直观、新奇有趣。现象越直观，越有利于学生利用直觉思维，进行有效学习。学生都有好奇心理，奇特的物理现象、出乎意料的实验结论，都会在不同程度上激发起学生的求知欲望，从而促使学生更用心地学习。

本设计就是在光屏上看到光，只要能将光照到光屏上，就可以看到所期望的实验现象。

三、小结

1.与教材实验的比较

在物理拓展型课程（第二册）的第72页到74页上，有光的衍射的学生实验。但是教材上的实验并不容易操作，实际我在实验中，几乎做不出来。对于综合素质较差的普通高中学生来说，就更不可能成功得出实验现象。用手电筒进行衍射实验，相对来说，更适合在普通高中物理教学时采用。

2.对初中物理内容的思考

光的直线传播只是一种近似，但是在初中物理教学中，这一结论却被表述为一句绝对的规律。虽然简化了向学生做详细解释的麻烦，却给高中物理教学带来了一定影响。类似的问题还有不少，学生对初中内容记忆过于深刻，反而无法快速接受高中内容。由此可见，初、高中物理内容的衔接研究还是非常有必要的。

参考文献：

[1]李晓梅，当代教育论坛2007（4），中学物理课程网，http：//phys.cersp.com

[2]物理拓展型课程（第二册），上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会，华东师范大学出版社，2008年12月