光的衍射（泊松亮斑创新性实验）高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

光的衍射——泊松亮斑创新性实验高中物理基于真实问题情境的实验1、说课题目：光的衍射——泊松亮斑创新性实验2、教师姓名：郭凯3、学校名称：贵州省黎平县第一民族中学4、使用教材：人教版（2019）选择性必修一第四章第5节光的衍射一、基本信息二、实验器材台虎钳，103瓷片电容，电子白板翻页笔，米尺，课桌三、实验原理在光学中，泊松亮斑是基于菲涅耳衍射理论，出现在圆形物体阴影中心的亮点。这个亮斑证明了光的波动性。装置的尺寸必须符合菲涅耳衍射的要求。当单色光照射在瓷片电容上时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。四、实验设计思路及创新点泊松亮斑是光的衍射现象的一个具体实例，学生在学习完光的衍射的相关知识和阅读完教材泊松亮斑趣事的这个“科学漫步”的材料后，受到泊松和菲涅耳的反证的物理方法的启迪后，迫切想自己动手做一做泊松亮斑的实验，想重现物理学中的这有有趣的实验。鉴于日常生活中波动光学实验成功的可行性较小，加之实验室中器材调试难度较大等因素的考虑，我想做一种简易且易重复的泊松亮斑的实验，供学生探究和实践，满足学生对波动光学的好奇心，激发学生强烈的求知欲。四、实验设计思路及创新点我查阅相关文献，并严格按照菲涅尔衍射的尺寸要求，并参照相关泊松亮斑实验的成功案例，在实验实验寻找并尝试各种实验器材，有磁化的圆珠笔的小圆珠，钢针针尖，圆珠笔笔帽，各种笔尖，硬币，游戏币，圆球形的食物等等很多材料，都发现实验现象和实验效果与想象中的有所差异。最终，在一次焊接电路板的时候，想到瓷片电容的尺寸与菲涅耳尺寸的要求比较接近，在实验室里面经过了很多次的尝试，依然没有出现明显的泊松亮斑。于是，又继续在理论研究和成功案例的复刻中寻找答案。经过不断的实验探索和数据分析研究，发现问题可能出在是实验室的长度不够长，于是我又把实验器材移到了实验室外的走廊上。经过反复的实验和不断的调整，发现了比较明显的泊松亮斑。多次复刻后，实验效果是一样的，衍射图样清晰且明显。四、实验设计思路及创新点实验最终的设计为在一张课桌上用台虎钳固定一只103瓷片电容，在瓷片电容的前方大概15米的位置用台虎钳固定电子白板翻页笔，并直接利用台虎钳的固定作用将电子白板翻页笔的开关按下，实现常亮的状态，使得绿光的光线大致照在瓷片电容的附近，并在距离电子白板翻页笔大概36米远的白墙上出现绿色光点。然后细调瓷片电容的位置，使之基本上处于绿色光线的中间位置，做好固定。在出现绿色光点的墙壁上进行观察，发现明显且清晰的泊松亮斑。四、实验设计思路及创新点本实验使用日常生活中常见的电子白板翻页笔，瓷片电容等简单易找的材料完成泊松亮斑实验，在以往的文献中未发现此类材料应用于泊松亮斑实验。四、实验设计思路及创新点本实验可以激发学生的求知欲和探究欲，是科学探究的好素材，好载体。本实验中学生可以进一步探究泊松亮斑的清晰程度与什么因素有关，三者距离之间存在什么定量关系，换用红色的光进行实验与绿色光相比的差异，观察泊松亮斑的图样为什么不是严格的同心圆，是否会有波的干涉和衍射的综合图样，如何解释泊松亮斑边缘比较明显的干涉条纹等内容，进而激发学生的探索欲，深化对光学知识的综合应用，感兴趣的同学可以进一步从菲涅耳理论解释泊松亮斑的现象以及量子力学的多路径理论和自干涉等更深层次的物理理论。四、实验设计思路及创新点五、实验操作要领在操作过程中，要注意保持相关仪器的平稳，在用台虎钳固定瓷片电容的时候可将瓷片电容的引脚扭转一下，方便牢固地固定。在用台虎钳固定电子白板翻页笔的时候要将按键开关加在台虎钳的虎口中，切不可用力过大，以免造成损坏。在泊松亮斑衍射图样的寻找中，注意与推荐尺寸相符合找到泊松亮斑后，在改变尺寸进行新的探究，以免寻找不到泊松亮斑的图样。六、实验处理及效果展示根据实验操作，搭建仪器，拍摄到泊松亮斑的衍射图样，并对衍射图样进行分析和定量计算。六、实验处理及效果展示1.泊松亮斑的条纹不等间距，泊松亮斑的亮环或暗环间距随半径增大而减小；2.泊松亮斑较小；3.泊松亮斑衍射图样中的背景是明亮的；4.泊松亮斑中央条纹亮而宽；5.泊松亮斑两侧条纹较暗较窄且对称分布；六、实验处理及效果展示6.绿色的光与红色的光所产生的泊松亮斑的清晰程度和明显程度有差异。7.在较强的绿色的光的泊松亮斑中，出现了明显的自干涉现象，亮暗纹满足关系式七、实验教学目标1.物理观念①培养学生运用衍射原理分析和解释现实中的衍射现象的能力。2.科学思维①培养学生通过观察、实验和推理，理解衍射现象的产生和衍射条纹的形成。②引导学生运用衍射原理分析实际问题，提高学生的分析和解决问题的能力。③培养学生从不同角度和层次思考衍射现象，发展学生的综合思维能力。七、实验教学目标3.科学探究①让学生通过实验观察衍射现象，培养学生的实验操作能力和观察能力。②通过案例分析和讨论，引导学生探究衍射现象的实际应用，拓展学生的知识面和视野。③通过亲自动手完成泊松亮斑实验，帮助学生直观理解衍射现象及其规律，培养学生的科学探究精神。④通过泊松亮斑趣事的介绍，培养学生的质疑与探究精神，让学生明白科学研究中不要轻易放弃自己的立场或观点，要有实事求是的精神。七、实验教学目标4.科学态度与责任①培养学生严谨的科学态度，正确对待实验现象和理论矛盾，遵循科学方法论。②引导学生关注光的衍射在现实生活和科学技术中的应用，培养学生的创新意识和社会责任感。③教育学生尊重科学、热爱科学，形成积极向上的学习态度和人生观。八、实验教学内容基于真实问题情境的实验。问题情境为普通高中物理教科书（人教版2019）选择性必修一第四章第5节光的衍射中的科学漫步内容，具体教材内容截图如下：（2020年5月第1版106页）八、实验教学内容光的衍射——泊松亮斑创新性演示实验。基于上述真实的问题情境，学生对物理学史上的这一段趣事非常好奇，迫切想看到泊松亮斑，高中物理实验室一般未配备相关的实验器材，且此实验复刻难度较大，网上类似的视频也较少，所以以此情景为教学内容展开教学。九、实验教学过程光的衍射——泊松亮斑创新性实验教师：关于光的衍射现象的研究，历史上有过一个泊松亮斑的故事，请各位同学阅读教材“科学漫步”栏目中的泊松亮斑趣事”。教师：大家想不想看看这个亮斑？教师演示：用台虎钳固定一块103瓷片电容，使激光束与瓷片电容的圆心在同一直线上。调整合适的距离，就能在白色墙壁上观察到瓷片电容影子中的亮斑，即泊松亮斑。九、实验教学过程光的衍射——泊松亮斑创新性实验

教师：著名数学家泊松是波动学说的反对者，他根据菲涅耳提出的波动理论进行数学推算，得出圆盘后的影的中心应该有一个亮斑。泊松认为这是荒谬可笑的，想借此驳倒菲涅耳在波动理论。阿拉果通过实验，发现圆盘后的影的中心确有一个亮斑。这样，这个实验反而支持了光的波动理论。大家从这个的故事得到什么启发？九、实验教学过程光的衍射——泊松亮斑创新性实验学生1：实验在物理研究中起着重要作用。学生2：对别人的质疑要冷静面对，不要轻易放弃自己的立场或观点。学生3：科学研究要有实事求是的精神。……（若学生的回答很全面，教师要及时肯定和鼓励）九、实验教学过程光的衍射——泊松亮斑创新性实验同学们在课余时间，你还可以进一步对实验做怎样的改进和探究呢？大家可以参照菲涅耳关于光的衍射的理论和量子力学的多路径理论等相关理论知识的指引去探索和思考，也欢迎大家与我相互交流探索结果和经验，共同学习、共同进步和提高。十、实验教学评价光的衍射——泊松亮斑创新性实验是基于真是问题情境的一个创新性实验，旨在培养学生的科学探究的兴趣，为进一步增强学生的求知欲而做的一个创新性实验。在物理观念方面培养学生运用衍射原理分析和解释现实中的衍射现象的能力，增加学生对于衍射现象的认识和深化。十、实验教学评价在科学思维方面重在培养学生通过观察、实验和推理，理解衍射现象的产生和衍射条纹的形成。引导学生运用衍射原理分析实际问题，提高学生的分析和解决问题的能力。培养学生从不同角度和层次思考衍射现象，发展学生的综合思维能力。在新课改的背景下，基础真实情景的考察和要求都有所提高，在教学中不光关注基于真实情境的物理问题，更要创新性地培养学生关于真实情境下的科学思维，新高考也更加注重对学生科学思维的考察。十、实验教学评价在科学探究方面让学生通过实验观察衍射现象，培养学生的实验操作能力和观察能力。通过对泊松亮斑图样的分析和讨论，引导学生探究衍射现象的实际应用，拓展学生的知识面和视野。通过亲自动手完成泊松亮斑实验，帮助学生直观理解衍射现象及其规律，培养学生的科学探究精神。通过泊松亮斑趣事的介绍，培养学生的质疑与探究精神，让学生明白科学研究中不要轻易放弃自己的立场或观点，要有实事求是的精神。十、实验教学评价在科学态度与责任方面培养学生严谨的科学态度，正确对待实验现象和理论矛盾，遵循科学方法论。引导学生关注光的衍射在现实生活和科学技术中的应用，培养学生的创新意识和社会责任感。教育学生尊重科学、热爱科学，形成积极向上的学习态度和人生观。十、实验教学评价在“三新”背景下，基于真实情景的物理探究是非常重要的一个方面，对于培养学生的学科综合能力和跨学科的能力，都至关重要。光的衍射——泊松亮斑创新性实验正是基于此而展开和设计的，实验现象清晰明了，实验效果基于教材中的真实情境逐步拓展，对发展学生的科学思维，本实验是一个良好的载体。但本实验由于是光学类的实验，需要学生在光线比较弱的环境下进行，一般情况下，需要在夜晚进行，学生有可能已回家，在学生探究过程的现场交流方面有些许不畅。十、实验教学评价本实验可以激发学生的求知欲和探究欲，是科学