光的干涉繞射實驗教學問題探討

(1)

光的干涉繞射實驗教學問題探討

邱韻如

長庚大學通識中心 yjchiu@mail.cgu.edu.tw （投稿日期：民國106 年 11 月 12 日，接受日期：106 年 12 月 05 日）摘要：光的干涉繞射現象，是波動光學裡非常基本且重要的觀念。在雷射光源極為普及的現今，進行光的干涉繞射實驗並不困難，學生可以很輕易及清楚的透過實驗看到干涉及繞射的現象，但仍有許多學生沒有親眼見過此現象。作者在大一普物實驗教學中，引導學生以定性觀察，比較並描繪干涉繞射的圖形，紀錄並探究單狹縫、雙狹縫及多狹縫的縫寬、縫距及縫數分別對干涉繞射圖形所產生的影響。這個以定性觀察及以繪圖記錄的實驗，看起來只要控制好變因、找出異同，實驗結果就顯而易見，但其實不然。作者發現學生在定性探討方面的能力缺失，多年來不僅沒有改進，還每況愈下。本文除了探討光的干涉繞射概念教學與實驗的問題，也特別針對這部分的實驗教學過程及期末筆試所展現的成效進行探討，提供各級物理教師現場教學參考。關鍵詞：雙狹縫干涉、單狹縫繞射、縫距、縫寬、定性實驗

壹、前言

雙狹縫干涉與單狹縫繞射，是波動光學的基本概念。根據現行高中物理九九課綱，在高一安排示範實驗，高三則是分組實驗。在雷射光源極為普及的現今，用簡報雷射筆就可進行此實驗，學生可以很輕易及清楚的透過實驗看到干涉及繞射的現象，但還是有許多學生沒看過老師演示，更遑論分組做過此實驗。106 物理指考非選第一題(圖 1)，考的正是此實驗。圖1：106 物理指考非選第一題。 10.6212/CPE.2017.1802.03

(2)

高中物理所教的雙狹縫干涉，狹縫寬度視為非常非常小，當作是兩個「點光源」干涉的理想狀況，不提及其因狹縫寬而產生的繞射效應。大一普物所教的雙狹縫，同時包含干涉和繞射的效應，透過實驗，雙狹縫的繞射效應明顯可見，實驗結果可以印證普物課所教，和高中所教的理想狀況有出入。因此，在高中進行此實驗時，還得解釋實驗結果（有繞射效應）為何和課本的介紹（理想狀況）不一致，的確有點困擾。此外，不管在高中端或大學普物端，干涉繞射的光學理論，不僅不易講解也不易理解，美國華盛頓大學學者(Wosilait, et al.,1999)提出學生學習此單元的學習困難，來自缺乏運用波動模型(wave model)的能力，本研究更進一步提出教學上會遇到的困難及問題如下：（一）光線不嫌多在光學裡，「多條線」是一個很重要的觀念，但常被忽略。筆者在〈幾何光學三條線〉的論文中曾寫道（邱韻如，2015）：幾何光學課本裡，通常用三條線作圖來決定透鏡成像的位置、大小及虛實。這三條線究竟是怎麼畫的，絕大多數人在考試過後就都還給老師了，真的是很「三條線」！建議應該畫出很多條線，並引導學生理解常見的「三條線」只是這許多條光線裡的其中三條。在講解理想雙狹縫干涉問題時，論及屏幕上某一點是亮是暗，我們常看到僅用「兩條線」來示意(圖 2a)，由這兩條光線的光程差來決定屏幕上那一點是亮還是暗。其實每個點光源所發出來的光線，是很多很多條(圖 2b)，學生不見得知道這兩條和這「很多條」之間的關係。 (a) 以兩條光線來解釋「干涉」 (b) 視為兩個點光源，各發出很多條光。 (c) 以波動線來講解光的干涉(圖片來源：龍騰版高三課本) (d)由雙狹縫干涉推算雷射光波長(圖片來源：龍騰版高三課本) 圖2：理想的雙狹縫干涉。

(3)

（二）波動光學的幾何問題雖說是「波動」，但我們大多仍畫「直線」來代表光線，以兩條光線的「波程差」來判定是「建設性干涉」還是「破壞性干涉」，至於不完全建設或破壞的，要講清楚就更麻煩了。有些書籍會畫成波動線(圖 2c)，如此讓學生更明瞭還是混淆，不得而知。在講相鄰兩條光線的光程差時，相較於縫寬與縫距，狹縫與屏幕的距離是非常非常大，大到可以把兩條光線視為平行。這個平行概念，也是個難題，牽涉到繪圖比例以及是否具備足夠的想像能力，也就是要有忽近忽遠忽大忽小的變換想像力。以太陽光為例，因為太陽距離我們很遠，所以可以把發散的太陽光想成平行光；這時要站到太陽那一端來看，地球小得像個點，所以遠從太陽射到地球的光線，可以視為平行光。在計算屏幕上相鄰亮紋間距Δy 時，因為屏距遠大於縫距，兩條光線可視為平行、光程差視為dsinθ、以及 sinθ趨近於 tanθ 等近似，都不易瞭解。對學生來說，直接把公式(圖 3)背起來而不去理解，反而是最簡單的。（三）干涉與繞射的區別歷史上最早觀察到光的繞射現象的是義大利耶穌會教士格里馬迪(Grimaldi,1618~1663)，他以拉丁字diffringere 來命名這個現象，也就是「成為碎片」的意思，但他並沒有對此現象作進一步的物理解釋。之後，牛頓、惠更斯、楊格、菲涅耳等陸續探討光的本質，直到十九世紀中，光的波動說才逐漸定型。把diffraction 譯為繞射，讓人只想到「繞過去」；大陸譯為衍射，「衍」有延伸、展開的意思，也沒有完全傳達diffraction 的意思。不僅顧「繞射」之名難思其義，要瞭解「干涉」與「繞射」及兩者的差異，也不容易。筆者讀過的教科書，並未看到論及此兩名詞差異的說明，也未見解釋為何光柵或多狹縫產生的圖形也叫「繞射」而非「干涉」。筆者自行歸納之後，提出一個簡單的判別：涉及兩條光線之間波程差的是「干涉」，多條光線之間波程差，則為「繞射」。也就是說，繞射是許多條光線（次波源）之間的兩兩干涉的結果，是一種「多重干涉」或「多條光線干涉」，如此或許比較好理解其物理意義。這個干涉與繞射名詞區別的問題，存在筆者腦海裡多年，直到2011 年筆者在天津的研討會發表提出後，一位大陸學者告知，趙凱華老師的光學教科書裡有提到。滕琴(2008)從光強度分佈公式入手，探討干涉與衍射相異處，在於疊加光線(波)數目的有限與無限，其在文章結論所敘述的，與趙凱華書上的觀點相同：光的干涉可看做是有限多個分立波的相干疊加，在數學上表現為一個相加的問題；而光的衍射可看做是連續的無限多且複雜的相干光的疊加，在數學上表現為一個積分問題。（滕琴,2008）雖然普物課本裡有光的強度分佈公式，但實則超出大一學生的數學程度。筆者在《費曼物理學講義》找到費曼的說法，和筆者自行歸納的想法較為接近：

No one has ever been able to define the difference between interference and diffraction satisfactorily. It is just a question of usage, and there is no specific, important physical difference between them. The best we can do, roughly speaking, is to say that when there are only a few sources, say two, interfering, then the result is usually called interference, but if there is a large number of them, it seems that the word diffraction is more often used. (Feynman, 1963)

(4)

（四）一加一不等於二當我們遮掉雙狹縫的一縫時，原本屏幕上的明暗條紋會從圖3b 變成圖 3a 的圖樣，這也正是圖1 指考題的實驗結果。由此可知，兩個單狹縫圖樣的相加，並不會是雙狹縫的結果。透過實驗觀察此現象容易，但要解釋清楚就不是件容易事，尤其對象是高中生及大一學生。圖3：以雷射光為光源，相同縫寬的單狹縫與雙狹縫的圖樣。（五）明暗條紋是直的還是橫的？以雷射光為光源，當狹縫是長條形時，屏幕上所見的圖樣並非與狹縫平行的直立長條形 (圖 4)，而是橫的(圖 3)。我們在課本上常看到的直條紋，應該是在雷射光普及之前的實驗結果，或是採用其它種類的光源。 (a)楊氏雙狹縫裝置示意圖 (Katz,2017,Fig.35.9) (b) 98 物理指考第 17 題。圖4：直的干涉條紋。（六）定性觀察圖樣的特徵前面五項所討論的，都不是容易解決的問題。鑑於此，筆者所設計的干涉繞射實驗，先略開這些困難，引導學生透過定性觀察，比較並描繪干涉繞射的圖形。實驗的狹縫片有單狹縫、雙狹縫及多狹縫等三種，要求學生紀錄並探究縫寬、縫距及縫數分別對干涉繞射圖形所產生的影響。這個以定性觀察及以繪圖記錄的實驗，看起來只要控制好變因、找出異同，實驗結果就顯而易見，但其實不然。本文敘述此實驗教學過程，及對期末筆試所展現的成效進行探討，提供各級物理教師教學參考。

(5)

貳、實驗內容

一、實驗的設計與進行

這是一個「控制變因」的實驗，讓學生從干涉繞射的圖形中，觀察歸納出「縫寬」、「縫距」、「縫數」對圖形的影響，實驗裝置如圖5。實驗的內容分為五部分： A1.單狹縫繞射，有四組單狹縫（不同縫寬）。 A2.雙狹縫實驗，有四組雙狹縫（其中兩組縫寬相同，兩組縫距相同，見圖 6）。 B1.多狹縫實驗，縫寬縫距皆相同，分別是二、三、四、五狹縫。 B2.光柵實驗，有兩種縫距不同的光柵（分別是 100 lines/mm 及 600 lines/mm）。 B3.其它：包括狹縫換成方孔或圓孔、光的偏極化、雷射光換成白光及 LED 燈等。實驗是以實驗桌的抽屜當屏幕，上面貼白紙。此屏幕可以自由前後移動方便觀察，以決定一個適合觀測的屏距。筆者要求學生把干涉繞射的圖形描繪下來，各圖形必須對齊中線。圖5：實驗裝置圖圖6：雙狹縫片(有四組雙狹縫) 從 100 學年度起，筆者將此實驗拆成 A、B 兩部分進行，第一週先做 A 部分（只有單狹縫繞射及雙狹縫部分），第二週再進行B 部分（多狹縫、光柵及其它），不僅複習雙狹縫，也有延伸學習。實驗結束前，每一組都要完成數據檢查單，一組一組檢查後才放行，一週後交實驗報告。本文主要討論的是A 部分。在進行此實驗之前的一到二週，筆者已經在普物課堂教過光的干涉繞射相關內容，在課堂上演示過，並且在課堂上講解過雙狹縫縫寬縫距比值的例題（推算中央亮帶裡有幾個小亮點），除了在課堂上讓學生當場練習外，還指定為課後作業，再練習一次。 二、教學過程中的發現 這個實驗主要是觀察狹縫的縫寬及縫距對圖形造成的影響，並以描繪圖形的方式記錄實驗結果。這是偏向於定性的實驗，重點在於控制變因。歷年來，不斷發現學生做實驗時的各種問題，筆者在實驗講解時特別提醒同學：四個狹縫都比較過之後（當然屏距要取一樣），找出其異同後，再開始畫，四個狹縫的圖，要對齊中線。

(6)

筆者發現，學生完全沒有先「縱覽全局」的觀念，他們通常只是依樣畫葫蘆，不去思考或探討，因為沒有想法，所以常常畫不到重點，或者畫到一些不該畫的。有的學生取的屏距太短，雙狹縫的「小點」通通看不到，以致看起來和單狹縫都一樣，奇怪的是，他們並不覺得很奇怪。有的學生是畫到第三組狹縫時，發現圖形太小不好描繪，問老師說有沒有放大鏡；他們沒有想到把屏幕往後移動，就可以看清楚細節。很少學生會把螢幕移遠來數清楚每個大亮帶裡有幾個小亮點，只會照樣描繪。對齊中線，對他們來說，也常常置之不理，因為沒想到白紙可以撕下來再貼回去。筆者在實驗中巡桌或檢查數據時，拿著他們畫的圖，遮掉其所記錄的縫寬縫距數值（圖7），詢問哪兩個圖的縫寬（或縫距）相同，他們都亂回答。請學生根據講義上的波長計算方式，計算波長。我們發現誤差來源主要在於許多學生量錯y 或Δy（參考圖 3），在檢查數據時都會特別請學生標示出 y 及Δy（圖 7, 圖 8）。圖7：某一組學生畫的雙狹縫干涉繞射圖（縫寬的效應，表達得不明顯）圖8：某一組學生畫的單狹縫繞射圖（a 圖中的 y 是不對的，正確請見 b 圖）

三、後測

期末實驗筆試，學生可以參閱自己的實驗講義及實驗報告。令筆者百思不解的是，學生筆試的作答成效是非常低落的。從表1 可以看到，能正確判斷狹縫寬度越小，繞射效果越大（題2(1),圖 9）的，最高也只達到七成。縫寬縫距比值題（題 3(1),圖 10）的答對率一直都很低。能正確判斷出縫寬縫距對圖形影響的比例（題3(2)(3)），近兩年有提升，原因容後再述。

(7)

表1：單狹縫的縫寬效應、四組雙狹縫比較 (答對率) 99 學年度 102 學年度 104 學年度 105 學年度題號 n=94 n=98 n=103 n=96 2(1) 61% 49% 59% 69% 2(2) / / 39% 21% 3(1) 9% 7% 7% 6% 3(2) 39% 28% 53% 64% 3(3) 57% 31% 54% 72% 3(2)(3)* 37% 26% 50% 59% *題 3(2)(3)是指(2)(3)兩題都對圖9：單狹縫縫寬的效應圖10：四組雙狹縫比較：縫寬與縫距

參、學生對縫寬與縫距的理解

筆者在實驗前講解時會強調四組雙狹縫是其中兩組縫寬相同縫距不同，另兩組則是縫距相同縫寬不同，一直以為學生配合狹縫片上的標示（圖6）應能會意，實則不然。104 學年度實驗教學時，筆者意外發現學生對「縫寬」「縫距」的理解有困難，而且不是看不懂width 和 space 的英文問題。筆者用 A4 紙畫了兩個狹縫（如圖 11），在第二週檢查數據時請學生指出哪個是縫寬，哪個是縫距，意外發現有非常多的學生亂指，不只是「縫距」不是兩縫之間的距離(如圖 12)，甚至許多學生還混淆狹縫的「寬」與「距」，也就是圖 11 的各種答案都有人選擇。隔天另一班上課時，筆者把畫在紙上的縫挖空，以避免學生看不懂誰是縫，但分辨縫寬縫距的困難依舊存在，並無稍緩。105 學年度，在第一週實驗時筆者就拿著製作好的雙狹縫（圖11）逐桌詢問各組哪個是縫寬，哪個是縫距，發現學生有各種錯亂的答案，和上一屆學生的情形差不多。

(8)

圖11：用 A4 大小紙張，割出兩條狹縫。

一、後測：實驗筆試（縫寬縫距部分）

期末筆試以「三狹縫」為題，請學生在試卷上畫出「縫距」。表2 是 104 學年度和 105 學年度的結果，可以看到105 學年度比前一學年度稍有進步，但整體答對率仍然未超過 50%。表2：三狹縫的縫距 (答對的人數) 104 學年度 n=103 105 學年度 n=96 合計 Y(正確) 40(39%) 46(48%) 86(43%) XA 36 31 67 XB 7 6 12 XC 2 3 5 XD 6 5 11 Z(空白) 12 5 18 合計 103 96 199 圖12：三狹縫縫距，學生的回答類型

二、面談：對縫寬縫距的理解

筆者在期末筆試之後，隨機找了一位學生面談(個案編號 EN05224)，瞭解他對縫寬縫距的理解。以雙狹縫為例，發現他對圖13 中的幾個圖形無法整合，例如他答對(c)的縫寬，卻不知道這縫寬是在(b) 圖及(a) 圖的何處，甚至一度還以為縫寬在(d)圖上。

(9)

圖13：幾個與雙狹縫有關的圖

肆、問題與討論

本文所敘述實驗過程中的學生問題，看起來似乎不應該出現在大一理工科系的班上，但實際上這些問題不僅真實存在，而且一年比一年嚴重。透過教學中的互動與診斷，發現學生連最基本的概念都掌握不住，不僅控制變因掌握不好，甚至有的連縫寬和縫距都混淆不清。我們要問，這些基本問題不解決，教太多計算及難題及更艱深的實驗，有用嗎？

一、簡單中的不簡單

教師以為很簡單的觀念，對學生來說並不容易。光學的許多現象，不管是幾何光學還是波動光學，在日常生活常見也不難藉實驗觀察，但並不代表其概念是容易學習及瞭解的。對學生來說，定性的實驗不見得比定量實驗容易，因為許多學生缺乏把觀察到的特性做歸納統整的能力。因此，示範實驗可以讓學生看到現象，但藉由分組實驗的逐桌觀察，教師才更能發現學生的學習困難及問題，以及透過實驗過程訓練基本能力及培養科學素養。

二、縫寬縫距的理解困難，是真實存在的

不少學生對「寬」與「距」的中文理解有困難。他們在被口頭問過而終於答對之後，仍然沒有把答案以理解的方式輸入腦袋存檔。對縫寬縫距的理解是這個實驗的基本概念，如果學生連這樣都有困難，如何進行更進一步的探究？在筆者和助教不斷逐桌提點追問下，終於在後測筆試看到學生對縫寬縫距的學習成效（見表1, 題 3(2)(3)）。

三、並非教過學生就懂

課堂上教過的，總像船過水無痕；實驗課前的講解，學生常常是有聽沒有到或沒有懂。

(10)

筆者發現近年來學生的想像能力與推理能力越來越差：一是對於沒經歷過的事，腦袋裡沒有圖像，就完全無法想像；二是記憶太短暫，實際拿到實驗器材後，就已完全忘記老師剛剛所講過的，也缺乏閱讀講義文字的能力。怎樣可以讓學生用心與動腦去探究學習與操作實驗、看著講義的說明來做實驗、用心撰寫出像樣的報告等等，都是越來越難的工程。

四、雙狹縫的理想與實際

大一普物所教的雙狹縫，同時包含干涉和繞射的效應，本文的這個實驗，除了計算波長外，主要是藉由定性的觀察，讓學生比較相同縫寬不同縫距，以及相同縫距不同縫寬，所產生的干涉繞射圖的異同，由此歸納出「縫寬」和「縫距」對圖形的影響。除此，我們也比較同樣縫寬時，一個縫和二個縫，甚至三、四、五個縫的圖形的異同，也就是「縫數」的影響。多狹縫的原理，有些超出大一的程度，因此只要求學生能歸納其特性。高中所教的雙狹縫干涉則是理想狀況，只有干涉，不提繞射，強調每個亮紋的間距都一樣。在這理想狀況下，狹縫寬度當作很小很小，以致可將通過狹縫的光視為是兩個「點」光源，因此不提及因狹縫寬而產生的繞射效應。在雷射光源極為普及的現今，進行光的干涉繞射實驗是相當容易的，實際做實驗很難不看到雙狹縫的繞射效應，反倒成為高中教師在演示或帶領此實驗時解釋的困擾，講與不講，各有利弊。筆者個人的建議是高中老師在課堂上還是先藉由圖片講解「理想的雙狹縫干涉」和「單狹縫繞射」，讓學生知道，雙狹縫的亮紋是等寬等距離(圖 14)，而單狹縫的中央亮帶是其它亮帶的兩倍寬(圖 3a)。至於條紋的橫豎問題、雙狹縫的繞射效應，可以等學生實際操作實驗提出質疑時，再做進一步的解釋與討論。圖14a：理想的雙狹縫干涉圖形圖14b：有些書上會把條紋畫成直的。(高三物理，龍騰版)

五、延伸學習

透過實驗 A 單狹縫繞射和雙狹縫干涉繞射的異同比較，可以讓學生仔細觀看體察，進而瞭解兩者概念的異同。在這樣的基礎下，可以幫助學習次週實驗B 的多狹縫和光柵。在實驗 B 中，筆者會要求學生先思考再看實驗結果：從多狹縫到光柵，也就是把狹縫數變多、縫寬縫距都縮小的情況，光柵的繞射圖形應該是如何，以及比較不同縫距(每 mm 幾條)光柵的結果。還有把雷射光換成白光、把長條縫換成正方孔，都是希望學生們先推理再看實驗結果。從前言裡的討論可以看到，「繞射」不僅難以顧名思義，要解釋清楚光的單狹縫繞射為何中央亮帶是兩倍寬，以及其它如多狹縫、光柵、晶體等都也是繞射，均非易事。

(11)

光的繞射現象在物理史上，在探究光的本質是重要的關鍵，由此是瞭解「繞射」意義的另一管道。但是不論在高中或是大一，其實都難以有足夠的時數來講述光的歷史發展。這題材可以設計為以科學史為主的探究與實作課題，從楊格和菲涅耳的干涉及繞射實驗(邱韻如,2014)，結合雙折射、牛頓環、偏極化等等，探究十八到十九世紀初，科學家如何從光的粒子說轉變為波動說的這段精彩發展史，甚至，還可以延伸到電子的波動性(Ambrose, et al.1999)。

六、演示實驗、分組實驗以及探究與實作

透過演示實驗可以讓學生看到現象，帶領學生做一些探究思考。除了課堂演示輔助教學外，落實分組實驗才能真正培養學生的科學素養。目前108 課綱正大力推展「探究與實作」，筆者認為落實課本教材內容的分組實驗更為重要，應讓學生能對物理基本概念與實驗基本技能有紮實的學習，再進行統整、跨領域的探究與實作。對教師來說，藉由分組實驗的逐桌觀察，才能發現學生的能力缺失、學習困難及問題，並借分組實驗訓練基本能力及培養科學素養。如前所述，這個光的干涉繞射實驗，除了演示實驗與分組實驗外，還可以進一步加深加廣作為探究與實作的好題材。

七、對教師的挑戰

學生採用「應付」的學習心態，聽過就忘的情況越來越明顯。老師總是希望能教更深入的知識內容，但總是卡在學生的基本概念與能力不足，以及教學時數不夠的窘境。在高中時期缺乏實作的這些學生，他們沒有先縱覽全局的能力、動手不動腦只會按部就班紀錄卻無歸納能力，到了大一普物，教師只能盡力彌補他們過去所缺，而難以更加深加廣。期望高中新課綱所推的「探究與實作」能夠改善這樣的狀況，而不是讓大一普物教師變成只能將課程內容降低到高二物理程度。

伍、結論

不斷從教學中發現學生的學習問題與困難，才能有俾於教學的改進。受限於學生的背景知識及有限的高中物理教學時數，物理光學的概念教學本屬不易，透過此實驗雖然很容易看到現象，卻和課本所教的理想狀況有出入，滋生困擾。大學普物雖無此困擾，但筆者透過自行設計的定性實驗，從教學互動中發現學生在觀察紀錄現象、歸納結果、甚至縫寬縫距的定義等等，都有困難。本文所述及的分組實驗，是經過課堂原理教學、示範演示、指定課後作業等程序之後才進行的。我們發現大一理工科系學生在實作時有下列幾項問題：(1)對縫寬與縫距的理解有困難；(2)計算波長時，量錯 Δy ；(3)在實作時，不會先「縱覽全局」掌握圖形的異同特性，再開始繪圖；(4)記錄完畢，不會歸納與統整。重視探究與實作與強調以素養為導向的教學，是目前 108 課綱物理教學的趨勢。光的干涉繞射實驗，是學習波動光學的核心，除了藉由演示讓學生具體看到現象外，還可以進行分組實驗，培養包括控制變因、歸納分析、提出質疑等等科學素養，更可以進一步加深加廣作為探究與實作的好題材，探究在科學發展史上，科學家們對光本質的概念衝突與論證的精彩歷程。

(12)

致謝

感謝科技部（計畫編號：MOST 105-2511-S-182-014 -）支助，特致謝忱。

參考文獻

1. 邱韻如(2011)：以定性繪圖方式探究光的干涉衍射現象之實驗教學問題探討，2011 年海峽兩岸物理演示實驗教學研討會，天津工業大學主辦，2011/7/25~28 2. 邱韻如(2014)：菲涅耳與光的波動性，《物理教育學刊》，15(1)，p53~56，2014 春季刊。 3. 邱韻如(2014)：光的干涉繞射之教學與實驗問題探討，2014 中華民國物理教育聯合會議，台東大學，2014/8/21~23。 4. 邱韻如(2015)：幾何光學三條線？《科學月刊》，46(6)，p418~421，2015 年 6 月號。 5. 高涌泉等編(2014)：選修物理(上)，九九課綱版本，龍騰文化出版社。 6. 趙凱華、鐘錫華編著(2009)：光學，北京大學出版社。 7. 滕琴(2008)：干涉與衍射異同點的探討，《光學儀器》，30(4)，p64-64。

8. Ambrose, B.S., Shaffer, P.S., Steinberg, R.N., and McDermott, L.C. (1999).An investigation of student understanding of single-slit diffraction and double-slit interference. Am. J. Phys. 67 (2), 146-155.

9. Feynman (1963). The Feynman Lectures of Physics, Ch30.

10. Katz, Debora M. (2017). Physics for Scientists and Engineers, Cengage Learning. 11. Wosilait, K., Heron,P.R.L., Shaffer,P.S. and McDermott, L.C.(1999). Addressing student

difficulties in applying a wave model to the interference and diffraction of light, Phys. Educ.

(13)

Exploration of Physical Optics Experiment Teaching:

Interference and Diffraction

Yun-Ju Chiu Chang Gung University yjchiu@mail.cgu.edu.tw

Abstract

Interference and diffraction are the core conceptions in physical optics. It is hard to teach and learn these concepts, but conducting such experiments by laser pointer is quite easy nowadays. However, many students are still in the absence of experience to observe the phenomena of interference and diffraction.

In this study, the college students were guided to recognize and record the characteristic of patterns of double-slit interference, single-slit diffraction and multiple-slit diffraction with diverse slit width and space. Students must conduct the qualitative experiments by the method of control variables and depict various kinds of patterns on the screen. It seems easy but it is not.

This study addresses students’ difficulties in understanding related concepts and conducting experiments in physical optics. It would be helpful for physics teachers to design and improve their instructions.

Key words