14．也谈光的干涉衍射现象的教学

    2007年的上海高考物理试题，有这样一道选择题：

    8．光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹，衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应，这一现象说明：

    （A）光是电磁波               （B）光具有波动性

    （C）光可以携带信息           （D）光具有波粒二象性

    这道试题的正确答案为BC。对考生的抽样调查表明，这道试题的正确率不高，每一个选择项受选的百分比分别为：选A，4.3%；选B，87.9％；选C，30.9％；选D，7.9%。大部分考生在本试题中都没有得到分或者失了部分分，只有24.2%的考生选择出了正确答案。

高考试题的其中一个功能，就是借助对试题的分析，反思在教学的过程中，存在着什么样的问题。上述试题表明，教师在物理光学的教学中，普遍存在着“就事论事”的教学习惯，只关心物理光学中光的干涉、衍射，以及光电效应等现象的认知，而没有从一个更高的层面上让学生理解知识的价值和意义，因此一旦问题超出了学生认知的范围或者变换一个问法，学生就会卡壳。

不妨从对下面这个试题的回答，看看这一部分的教学应该注意哪些问题

下列图片为光通过三种不同形状的孔后所产生的衍射图象。

（1）试指出这三个孔的可能形状。

（2）试根据以上三图说明衍射图象与障碍物（或孔）的形状有无关系。

（3）DNA的双螺旋结构，是物理化学家弗兰克林通过拍摄不同温度下DNA晶体的X射线衍射照片，并对比研究获得的。这一事实给认识微观世界提供了什么样的启示？

先来讨论问题（1）。

在我们的中学课本中，只观察过光的圆孔衍射和狭缝衍射两种情景。A图所示的图样，显然是圆孔衍射的图样，后面两个是什么样的孔呢？

在处理问题的过程中，有一个非常重要的思想，就是“用老方法解决新问题”，也就是知识的迁移。遇到自己不熟悉的情景，首先应该联想已有的知识有哪些，有没有和现在遇到的问题相似的情景。

如果是一个竖直放置的狭缝，光通过狭缝之后产生的衍射图样是一个个竖直的条纹，条纹和狭缝保持平行。如果是一个水平放置的狭缝，光通过狭缝之后产生的衍射图样也是一个个水平的条纹，条纹和狭缝保持平行。这样的知识启发我们，现在遇到的图样B，应该是两个互相垂直的狭缝共同作用的结果。因此，孔的形状就应该是一个正方形，或者说是一个长方形。

理解了这样的一个图样特点之后，我们就会发现，一些复杂的图样，实际上可以看成是一些基本衍射现象的叠加。由此可以推测，图C所示的图形是正三角形。

再来讨论问题（2）。

不同的障碍物、不同的小孔，产生的衍射图样不同，这给了我们一个什么样的启发？那就是光通过障碍物之后产生的衍射图样和障碍物的形状之间有这一一对应的关系。人们分析了各种不同的障碍物，观察它的衍射图样，进一步明确了这样的认识。

为什么障碍物和衍射图样之间会有这样一一对应的关系呢？只能有一种解释，就是光在通过障碍物的时候，携带了障碍物自身的信息，然后在衍射图样上将这一信息反映或者说表达了出来。在这里，光的作用就像通信兵。

2007年的高考试题，主要就是考查学生是否理解光的这种作用。这紧紧依靠对实验的观察、紧紧依靠记住一些结论是办不到的，需要教师自身有这方面的意识。

接着分析问题（3）。

DNA双螺旋结构的发现，是光的衍射的一个重要研究成果，它的发现本身包含了很重要的研究思想。

我们如何来认识微观粒子的形态？科学家们通常采取两种思路：

一种是用光（电磁波）来照射看不见的微观物体，通过光的干涉或者衍射图样，来推测微观物体的可能形状。DNA结构的发现就采取了这样的一种思路。从某一角度用X射线照射，可以得到一幅衍射图样，对这个图样进行分析，能够反过来推测在这个方向看过去微观粒子的形状；然后变换方向，依此不断地进行观察、分析，将这些信息进行综合合成，得到了一个立体的图景。

另一种思路是用炮弹（放射性粒子）来轰击微观粒子，通过和粒子相互作用之后产生的现象，来推测微观粒子的形态。卢瑟福在探索原子结构时，用α粒子来轰击金箔，利用α粒子出射方向的变化特点，得到了原子核式结构模型，就是一个典型的事例。

现象背后的思维方式，是教学中应该特别加以挖掘的地方，也是这一部分教学的核心。那种纯粹通过记忆的方式来学习物理光学的做法，是非常不可取的。