以“圆孔衍射”为例探讨农林院校大学物理课堂教学

党亚爱　李霞　刘云鹏　解迎革

摘 要 物理学是自然科学的基础，物理学的研究方法对其他自然科学和技术科学具有重要的指导意义。本文结合农业院校的特点，利用问题导向法发挥并提高学生学习的主动性和创造性，在理论讲解过程中注重理论与生活、科研的融合，以培养学生综合素质和能力。

关键词 《大学物理》 圆孔衍射 课堂教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

物理学作为一门自然科学、人文科学、思维科学等相互交叉、有机结合的综合学科，是自然科学和现代工程技术的基础，它对人类社会的进步、科学技术和经济发展产生了巨大的推动作用。但由于《大学物理》涵盖物理分支较多，课程内容理论性较强，学生学习兴趣和主动性较差。如何提高课堂教学质量、激发学生的学习兴趣、培养创新意识和创造能力等是目前我们急待解决而又具有重要意义的问题。

波动光学是农林院校大学物理教学中重点讲授的内容之一，波动光学的学习有助于学生更好地理解光的本性及其应用，但学生在学习本章时往往感到理论性较强，公式太多而兴趣索然。本文将以波动光学中的圆孔衍射课堂教学为例，以农林院校学生为对象，以提高课堂效率为出发点、培养并提高大学生的创新能力、实践能力为目标，对农林院校大学物理课堂教学进行探讨。

1问题引入，培养学生善于观察、发现问题的能力

德国教育学家第斯多惠曾经说过：“教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒和鼓舞”。教师讲课首先要有精彩的开场白，从心理学上讲，这叫首因效应，从一开始问题引入就抓住学生的注意力，才能让课堂教学收到好的效果。在光的圆孔衍射课堂教学中，首先提出一些日常现象：为什么测视力的时候要站在固定的地方来看视力表？为什么天文望远镜的外形都比较庞大？为什么电子显微镜的放大倍数要远远大于光学显微镜？这一系列问题都有一个共同点，就是涉及到圆孔衍射，为了解决以上问题，先要分析什么是圆孔衍射，通过以上问题，导入课堂内容。

2现象分析及理论讲解，培养学生分析、解决问题的能力

2.1圆孔衍射现象、装置及衍射条纹特点

问题引入：在单缝远场衍射的装置中，将障碍物由单缝换成圆孔会出现什么现象？

动画演示及现象：播放圆孔衍射的flash动画，发现当圆孔的尺寸比较大时，在屏幕上出现与圆孔尺寸一样的圆光斑，但当圆孔尺寸小到一定值时，发现屏幕中间是个亮斑，而外围是一组亮度很小的明暗相间的同心圆环。通过播放flash，让学生了解圆孔衍射现象及条件：只有当圆孔半径小到一定程度时才会出现衍射现象。

圆孔衍射条纹特点分析：在圆孔衍射图像中，第一暗环对应的衍射角 1称为爱里斑的半角宽，理论计算（略）可得

1≈sin 1=0.61 /r=1.22 /d （1）

其中r和d分别为圆孔的半径和直径。

爱里斑半径的计算：

如图1（a）所示，若透镜L2的焦距为f，则爱里斑的半径为：

R=f tan 1≈1.22f （2）

由式（2）可知，d越大，衍射现象越不显著； 越大或d越小，衍射现象越显著，和单缝衍射结果类似。

分析：通过公式（2）可以看出，只有当圆孔直径和波长接近时，爱里斑半径才较大，才能观察到比较明显的衍射现象，而当圆孔直径远远大于波长时，R趋近于零，衍射现象不明显，这时符合光的直线传播规律。可以简略分析光的波粒二象性特征。

2.2光学仪器的分辨本领

2.2.1根据现象引入问题

美国教育家杜威也曾说过：“最好的教育就是从生活中学习”。物理学的根源是现象，而现象来源于生活。脱离了现实生活的物理必然是枯燥无味的。日常生活中我们经常会用到各种光学仪器，比如显微镜、望远镜等，包括人的眼睛，实际也是一台高精密的光学元件，按照几何光学，一个物点通过一个光学仪器形成的像是一个点，两个物点形成的像总是分离的两个像点。仪器的分辨能力应该不受物点距离限制的。但实际上各种光学仪器的放大率达到一定程度后，即使再增加放大率，仪器分辨物体细节的性能也不会再提高了，比如，光学显微镜，理论上改变物镜和目镜的焦距是可以提高放大倍数的，但现在的光学显微镜放大倍数最高不到2000倍，这种现象的原因是什么呢？

在这个过程中，可以和学生一起讨论这些物理现象，以培养学生善于发现问题、提出问题的能力，并学会通过现象寻找物理本质的方法。

2.2.2瑞利判据讲解：

对于光学仪器来说，如果一个物点S1的爱里斑的中心恰好与另一个物点S2的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合，這时两套衍射图样重叠区的光强度约为单个衍射图样的中央最大光强的80%，人眼睛刚刚能够分辨出这两个物点的像。这一条件称为瑞利判据。

满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所能分辨的最小距离。此时两个物点对透镜中心所张的角 R称为最小分辨角，。即

R= 1=1.22 /d （3）

即最小分辨角的大小由仪器孔径d和光波的波长 决定。

2.2.3光学仪器的分辨率：

将光学仪器中的最小分辨角的倒数称为仪器的分辨率。光学仪器的最小分辨角越小，分辨率就越高。（下转第59页）（上接第55页）

思考：人的眼睛在明视距离时的最小分辨角和分辨距离分别是多少？光学显微镜及电子显微镜的最小分辨角受什么因素影响？怎么减小光学仪器的最小分辨角？

3问题拓展及课堂讨论，培养学生理论联系实际、学以致用的能力

在了解眼睛、光学显微镜及电子显微镜的最小分辨角的影响因素的基础上，分析光学显微镜和电子显微镜分辨本领及其产生差异的原因，了解光学显微镜的油浸镜头。在课堂上对学生分组进行以下内容的讨论：

为什么测视力的时候要站在固定的地方来看视力表？

为什么天文望远镜的外形都比较庞大？

光学显微镜的油浸镜头为什么可以比普通镜头的分辨率高？

为什么电子显微镜的放大倍数要远远大于光学显微镜？

通过以上问题的讨论，把身边的物理现象引入课堂，让单调、枯燥的物理规律与生活实例对号入座，可以使学生会更容易接受新知识，并且认识到物理学习的重要性，从而对物理学习产生兴趣、提高学习的自主性。另外，在对以上问题的讨论中，可以培养大学生收集、分析问题的能力，培养大学生的探究精神和创新能力及学习与他人分享和合作的意识，为以后进入现代化社会打下良好的基础。

4课堂总结，培养学生归纳总结问题的能力

通过对圆孔衍射基本原理及内容的讲解及分析，了解提高仪器分辨率的方法主要有以下两种：

（1）减小波长 ：电子显微镜是用电子衍射线的波动特性来观察物体，它的波长可以小到0.1nm，从而大大提高电子显微镜的分辨率。

（2）增加物镜直径d：如天文望远镜，有的镜头直径达6m。

5小结

《大学物理》是培养学生学习和思维能力的一门重要基础课程，课堂教学中渗透的科学理念和思维方式将会使学生受益终身。圆孔衍射是光的波动性的一个重要内容，也是教学中的重点和难点之一。本课堂根据农业院校的特点，对一些实际现象凝练后提出科学问题，层层剥茧式的分析并解决科学问题。在课堂教学过程中，不断提出问题以激发学生学习兴趣，通过对问题的分析和讨论发挥并提高学生学习的主动性和创造性，在理论讲解过程中注重理论与生活、与科研的融合，以培养学生综合素质和能力。

参考文献

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[4] 吴小鸥.大学课堂中创新性学习的偏离及纠正[J].高教探索，2006，6（01）：47-50.endprint