光的衍射和漫反射現(xiàn)象教學(xué)創(chuàng)新與拓展

呂海軍 趙文輝 劉艷磊 張靜

摘要：在大學(xué)物理教學(xué)中，光的衍射現(xiàn)象和漫反射效應(yīng)是必備的知識點。在理想條件下，夫瑯禾費單縫衍射中會有衍射光芒并帶有明暗相間條紋的出現(xiàn)，有色粉末的研磨程度越高，漫反射越強，顏色越深。把光的衍射現(xiàn)象和漫反射效應(yīng)的演示帶入課堂，引導(dǎo)學(xué)生對影響現(xiàn)象的因素進(jìn)行探討，并給出合理的解釋。

關(guān)鍵詞：衍射；光闌；光芒；漫反射；研磨程度

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0156-02

一、光的衍射

（一）光衍射現(xiàn)象教學(xué)

衍射是波動在傳播路徑上遇到障礙物后，繞過障礙物的邊緣而進(jìn)入幾何陰影內(nèi)傳播的現(xiàn)象。在我們的生活中，衍射現(xiàn)象處處存在。例如在一堵隔音墻兩側(cè)的人可以相互聽到對方講話；在夜間看路邊亮燈時，會看到許多大小不一的星芒從亮燈周圍向外發(fā)散。

惠更斯—菲涅爾原理是研究衍射現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)[1]，可以定性的解決衍射波傳播方向的問題。衍射依據(jù)光源與光闌之間的距離的大小分為兩類：第一類為菲涅爾衍射，光源與光闌距離有限遠(yuǎn)，進(jìn)入光闌的光線非平行光；第二類為夫瑯禾費衍射，光源與光闌距離無限遠(yuǎn)，進(jìn)入光闌的光線為平行光[2]。

課堂教學(xué)中以單縫夫瑯禾費衍射為例，利用半波帶法，討論并給出了各級明條紋在接收屏上的位置分布和明紋的寬度，并且從理論推導(dǎo)中總結(jié)出了條紋的特點。單縫衍射有兩條由明暗相間條紋排列組成的衍射光芒，衍射光芒的方向分別指向邊的單縫的外法線方向；衍射光芒中存在明暗相間條紋，除中央明紋外，其他條紋寬度相等，中央明紋的寬度為其他明紋寬度的兩倍；單縫寬度和光波長影響衍射程度，單縫寬度越小，波長越大，明紋越寬，衍射現(xiàn)象越明顯[3-6]。

（二）光衍射現(xiàn)象教學(xué)創(chuàng)新與拓展

利用仿真軟件研究單縫夫瑯禾費衍射的實驗現(xiàn)象，在仿真實驗中發(fā)現(xiàn)，單縫衍射中除中央明條紋外的其他明條紋并不等寬，而是隨著與中央明紋距離的增大而變窄，直至最后消失。探討理論計算和仿真實驗的差異可以作為光衍射部分教學(xué)的拓展。

經(jīng)過分析得到，當(dāng)光束發(fā)生衍射時，并不是所有的光束都偏折，而是每一個偏轉(zhuǎn)角內(nèi)僅有一定量的光偏折，偏轉(zhuǎn)角越大，光程越大，到達(dá)屏幕的光強減小，由于外圍明紋的光強越來越小，暗紋與明紋的邊界線漸漸變暗而難以分清，因此經(jīng)常錯誤的認(rèn)為明條紋越來越細(xì)，直至消失。在單縫衍射的光強分布圖中也可以發(fā)現(xiàn)，離中央明紋變遠(yuǎn)，明條紋的寬度沒有變化，只是對應(yīng)的光強減弱，進(jìn)而造成明暗分界線模糊，誤認(rèn)為明紋變窄[7，8]。

將單縫衍射的現(xiàn)象拓展到多邊形的光闌用于教學(xué)，從理論關(guān)系可以得到，不同形狀的光闌對應(yīng)不同狀態(tài)的衍射情況，如圖1所示。三角形光闌對應(yīng)6條衍射光芒，正方形光闌對應(yīng)4條衍射光芒，正七邊形光闌對應(yīng)14條衍射光芒，以此類推，在教學(xué)中演示光闌形狀與衍射光芒個數(shù)的關(guān)系。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由光闌的形狀決定的，“哪里有壓迫，哪里就有反抗”，光闌的每個邊都會發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此不同的光闌對應(yīng)的衍射現(xiàn)象一般不相同。

從光闌的衍射現(xiàn)象可拓展到微小的障礙物的衍射現(xiàn)象，以此來豐富光衍射部分的課堂教學(xué)。

（三）討論參數(shù)對衍射的影響

單縫夫瑯禾費衍射中，縫寬a越小，衍射現(xiàn)象越明顯。這僅僅是對單縫而言，對于其他形狀的光闌，可以引導(dǎo)學(xué)生討論，是否會有光闌的通光孔徑越小、衍射現(xiàn)象越明顯的結(jié)論?？梢栽谡n堂上演示用多種不同參數(shù)的正七邊形光闌產(chǎn)生衍射并拍攝圖像，從左到右，光闌的最大通光直徑可選取2.27mm、2.50mm、2.78mm、3.13mm、3.57mm、3.85mm、4.55mm、5.00mm、5.56mm、6.25mm、7.04mm、7.94mm、8.93mm、10.00mm、12.50mm，相鄰兩者之間通光量為兩倍關(guān)系，獲得如圖2所示的圖像。從圖中可以明顯看到，隨著光闌通光孔徑的增大，衍射現(xiàn)象越來越弱，因此對光闌而言，其通光孔徑越小，衍射現(xiàn)象越明顯。

在單縫衍射實驗中，理論上我們得到的兩條星芒會有明暗紋交替分布，但是在實驗拍攝中卻未發(fā)現(xiàn)明暗條紋。在課堂實踐中使用白光光源進(jìn)行拍攝，發(fā)現(xiàn)不存在明暗紋。通過分析發(fā)現(xiàn)，在衍射過程中，每種波長的光都會發(fā)生衍射現(xiàn)象。波長大的衍射明紋可能會將波長小的衍射暗紋覆蓋，進(jìn)而我們觀察不到明暗紋分布。

二、漫反射現(xiàn)象

（一）漫反射現(xiàn)象教學(xué)

漫反射是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現(xiàn)象。漫反射效果越強，在單位體積處接收到的光強就越弱。對于有色粉末而言，例如鐵粉、銅粉等，隨著研磨程度的增加，顆粒直徑越來越小，當(dāng)光照射到粉末表面時，漫反射增強，進(jìn)入人眼的光強減弱，因此會認(rèn)為粉末的表觀顏色變暗了[9]。在教學(xué)中通過實例詳細(xì)解釋漫反射現(xiàn)象，讓學(xué)生對這一現(xiàn)象有初步的了解。

（二）漫反射現(xiàn)象教學(xué)創(chuàng)新與拓展

通過課堂演示讓學(xué)生從感官上對漫反射現(xiàn)象有深刻的理解，進(jìn)一步拓展，研究影響漫反射的參數(shù)。對于有色粉末，研磨程度越高，其表觀顏色越深。課堂演示150目與800目銅粉末表觀顏色，并將二者進(jìn)行對比，得到800目的顏色深于150目銅的表觀顏色，得出材料的種類影響漫反射。同時，對不同研磨程度的鐵粉進(jìn)行探究，通過實驗發(fā)現(xiàn)，其研磨程度與粉末表觀顏色深度并非正相關(guān)，而是在一定研磨程度后，其表觀顏色才會隨研磨程度的增加顏色加深，以此引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在鐵粉顆粒相對較大時，在發(fā)生漫反射的同時帶有一定的鏡面反射，鏡面反射會影響粉末表觀顏色部分像素點的RGB值。隨著研磨程度增加，鏡面反射影響程度減小，進(jìn)而消失。

利用軟件對不同研磨程度的鐵粉的表觀顏色進(jìn)行RGB分析，分析得出40目與150目銅粉的部分像素RGB分布不均勻，同時對不同程度的鐵粉進(jìn)行電鏡掃描，在40目時，形狀極其不規(guī)則；在800目之后，表面已經(jīng)較為圓滑，隨著研磨增加，顆粒趨向于球形，鏡面反射消失，全部轉(zhuǎn)化為漫反射。

利用實驗和分析引導(dǎo)學(xué)生得出，對于有色粉末，其表觀顏色受漫反射的影響。在一定研磨程度內(nèi)，隨著研磨程度增加，漫反射增強，粉末表觀顏色變深。

三、結(jié)語

為改善光的衍射和漫反射現(xiàn)象課程內(nèi)容的教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)素質(zhì)，增強課堂知識與實際實驗的結(jié)合度，通過提出理論學(xué)習(xí)與實際實驗相異的現(xiàn)象，再次運用所學(xué)知識對相異的現(xiàn)象進(jìn)行解釋。在實驗分析中，多用生活中的例子對其進(jìn)行解釋，使得理論知識易被學(xué)生理解和接受，對提高學(xué)生對光的衍射和漫反射知識的掌握具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，鐘錫華.光學(xué)（上冊）[M].北京大學(xué)出版社，1984.

[2]孫偉民.單縫衍射圖樣的計算機仿真與分析[J].工科物理，1999，（02）.

[3]Wikipedia：Diffractionspike[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_spike

[4]Wikipedia：Diffraction[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diffraction

[5]Wikipedia：Diaphragm（optics）[EB/OL].

https：//en.wikipedia.org/wiki/Diaphragm_（optics）

[6]趙言誠，姜海麗，劉艷磊.大學(xué)物理教程[M].北京：高等教育出版社，2014.

[7]石順祥，王學(xué)恩，馬琳.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)[M].第三版.西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[8]黃金仙.光的衍射應(yīng)用研究[J].通訊世界，2015，（24）.

[9]吳杰.淺析高中生物必修教材中實驗的顯色原理[J].赤子（上中旬），2014，（09）：115-116.