科學活動

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消失的全反射

目的

觀察在不同折射率(index of refraction)物質形成的介面下，全反射(total internal reflection)現象的改變。

實驗

實驗裝置：綠光雷射、5X5X15 cm 透明壓克力、滴管。

1.將雷射打入透明壓克力當中，產生全反射情況下，利用滴管將水滴流過壓克力產生全反射處外壁，觀察全反射的消失現像。

原理思考

為何水滴流過全反射處外壁，全反射現像會消失?

當入射光角度大於臨界角(critical angle)，會有全反射的現象發生，本實驗中原先折射環境是壓克力介質(medium)到空氣介質，後來的折射環境轉變為壓克力介質到水介質，這兩種情況的臨界角是不同的，故全反射才會消失。

壓克力介質到空氣介質的臨界角 $\theta _{c1}=sin^{-1}(\frac{n_{air}}{n_{PMMA}})=sin^{-1}(\frac{1}{1.414})\approx 45.09^{\circ}$

壓克力介質到水介質臨界角 $\theta _{c2}=sin^{-1}(\frac{n_{water}}{n_{PMMA}})=sin^{-1}(\frac{1.33}{1.414})\approx 70.38^{\circ}$

入射角度介於 $\theta _{c1}$ 及 $\theta _{c2}$ 之間，把空氣介質換成水介質，原先空氣介質的全反射現象會消失。入射角度大於 $\theta _{c1}$ $\theta _{c2}$ ，把空氣介質換成水介質，原先空氣介質的全反射現象亦存在。

討論

1.不同入射角下為何全反射消失的程度不同?

2.在不同折射率液體情況下又如何?

3.這個現象又稱frustrated total internal reflection，FTIR；FTIR是製作分光鏡的基本原理，試著構想如何從實驗中的現像來製作分光鏡?

4.除了全反射光線外，可另外看到與入射線對稱的虛像，為何會有此虛像的產生?

關於實驗

水滴流過時，雷射會因動態的水滴而產生類似"掃射"的現像，需注意防止眼睛與雷射接觸。

參考資料

Frustrated total internal reflection: A simple application and demonstration. American Journal of Physics, 71(5), 494-496.

“Optics", 3rd ed., Addison Wesley, 1998, U.S.A.

製作

游俊崧、黃時霖

指導老師

朱慶琪

撰稿

游俊崧

發佈於物理

光通訊

目的

藉由LED及太陽能電池實驗基本的光通訊方法。

實驗

實驗裝置：將數顆LED燈泡（本例為12V白光LED）並聯，接著串接一提供LED工作電壓的直流電源(12V)並串接一做為輸入端之音源(ex.mp3 player)。最後在LED隔空對面擺置一太陽能電池，太陽能電池兩極接上一揚聲器。

1.將直流電源啟動，此時LED將會運作而發光。

2.在音源裝置播放歌曲，觀察LED燈與未播放前是否有不同；在LED燈另一方，揚聲器是否放出之前播放的歌曲。

原理思考

通訊裝置可說是一連串訊號轉換的過程組合，例如：電話（聲音→電流變化→聲音），在這個簡單的光通訊裝置，訊號的轉換過程是什麼？

此實驗的光通訊裝置，主要利用LED能隨輸入電壓不同而在亮度上迅速做出反應。裝置原理上，利用12V直流電達到LED工作電壓，音源輸出歌曲屬於電壓變化，與直流電源串聯，兩者電壓相加，將此電壓輸入至LED燈，LED燈亮度會隨輸入電壓而改變。在LED燈發出的光裡，已含有歌曲的訊號，即以電壓調變光的信號。在空間另一邊，太陽能電池接收到隨時間改變的亮度，在輸出電壓上也對應於接收到的亮度作出變化，此電壓變化傳至揚聲器，最後發出與播放歌曲相同的音訊。

討論

1.在音源輸出端(mp3 player)播放歌曲前後，並看不出LED燈有何變化，這和音源輸出的頻率與強度有何關係？

2.LED燈可否改為其他的光源？鎢絲燈泡？雷射光？要能達成光通訊需求，光源方面有什麼限制條件？太陽能電池是否也有類似的條件？

3.現代光通訊常用光纖網路。利用光纖進行通訊，與以往利用電線傳輸信號，有什麼優點？

4.若以光通訊應用在無線區域網路上，則較現在無線網路利用電磁波，光通訊有什麼優勢？

1.音源輸出訊號由於是聲音訊號，因此電壓變化頻率也對應於聲波頻率( $20Hz\sim 2000Hz$ )，人眼的敏銳度無法辨別。另外，本裝置擔任音源輸出的mp3 player最高（即將音量鈕轉至最大）提供較12V相對小的 $0.8V_{p-p}$ 的電壓。因此在此高頻率及低振幅改變下，肉眼無法辨別含有歌曲訊號與平常的LED光的差別。 2.在光通訊裝置擔任光源，需具備電壓與亮度有敏銳變化，以及極低的反應時間，以LED燈來說，因其發光原理隨輸入電壓而有不同數量的電子電洞結合，因此亮度與輸入電壓夠敏銳。其反應時間（明滅反應時間）高達約 $100MHz$ ，已遠高於聲音頻率。以上述兩點來看，藉由加熱而輻射光的鎢絲燈泡，由於輸入電壓不同而需使鎢絲加熱至對應亮度的時間變化，顯然較無法達成此極快反應時間的要求。3.光纖較一般同軸電纜的優點有：由於光纖使用全反射原理，訊號（亮度）衰減極低，在傳輸距離上，為一般同軸電纜之數十數百倍，可減少中繼點的設置成本。也因為光纖原理為全反射，在訊號保密上有其優勢。由於傳輸原理是光，不易受周圍電磁波及溫度干擾而影響傳輸品質，達到高傳真度的目的。光纖材質為玻璃纖維，有耐腐蝕，耐火，耐水，壽命長等優點，在重量上較同軸電纜輕的多，在運送以及施工都較為節省成本。又因質細，可繞性，在埋設管路時可節省使用空間，空間配置經濟性高。在通訊頻寬上，光纖可達數 $GHz$ ；傳統電纜為數百 $MHz$ ，在載訊容量上，光纖極具優勢。 4.現代的電磁波無線網路缺點主要有資料外流（有機會穿透牆壁或門窗），以及對健康有疑慮。若採用光通訊方法達成無線區域網路，這兩點將可望改善。只要光無法穿透的地方，資訊將無法外流。雖然光源長時間可能對眼睛造成疲勞，在健康並無電磁波危害人體的疑慮。

關於實驗

1.直流電源宜盡量等於LED燈泡工作電壓，以使亮度-電壓關係接近線性。

2.在太陽能電池規格的選定上，若輸出功率相同，高電流較高電壓效果好。

參考資料

光纖通訊系統簡介。

開燈，就能無限上網。科學人雜誌，2007，8月號。

製作

v.1 鄭韋志

指導老師

朱慶琪

撰稿

鄭韋志

發佈於物理

亮度比較

目的

能用肉眼直觀看出在相同功率下，LED、省電燈泡、白熾燈泡照度之差異。

實驗

1.實驗裝置：三種燈皆使用家用110V交流電源。

2.省電燈泡、白熾燈皆使用市售110V/5W之規格。

LED使用單顆12V/0.02A之規格，做一排九顆串聯、五排並聯之電路設計使其吃110V交流電，並用電錶測量得total電流為0.09A，功率P = VI = 110 x 0.09 = 9.9W。

由LED單向導通，因此真正消耗功率槪算約為9.9 / 2 = 4.95 ≒5W。使用照度計測量不同光源在相同距離下的照度。

原理思考 LED、省電燈泡、白熾燈泡的發光原理各為何?

白熾燈的發光原理是由電流通過燈絲產生熱效應而發光，一般使用高熔點的鎢絲，白熾燈的發光效率不高，因為大部分的電能都被轉換成熱能消耗掉。省電燈泡是日光燈管與安定器結合，因此可以直接接在一般燈座上，它的發光原理與同日光燈：燈管壁上塗有螢光塗料，燈管內填充有水銀或其他原料，通電後燈管兩邊形成電場使加速電子前進，並加熱水銀氣化與電子發生碰撞，產生紫外線，紫外線能量被管壁的螢光物質吸收，進而產生可見光。

LED的發光原理是利用半導體中的電子和電洞結合而發出光子，它的顏色主要取決於電子電洞結合所釋放出來的能量高低，也就是由所用半導體材料的能隙所決定。省電燈泡的熱耗損比白熾燈泡小，發光效率也較高，舉例來說，Philips市售60W白熾燈泡發光效率為830lm，而13W省電燈泡的發光效率為831lm。而LED具有低電壓驅動(2~4V)、體積小、光電轉換損失低、單位亮度高等優點，目前已應用在手機、面板背光、指示燈等方面，是目前發光效率最好的燈源，只是生產成本過高而不被大眾所普遍接受於一般光源使用。在大型照明方面，除了成本外LED尚有散熱問題等因素，因此大型探照設備使用LED不多，但目前LED的發展日益進步應該在未來幾年內就可以克服大型照明設備散熱問題。

討論

1.市面上螺旋燈管與3U燈管的省電電泡有何不同?

2.何謂鹵素燈?

關於實驗

也可以換上不同瓦數的省電燈泡與白熾燈泡來做更進一步的比較。

參考資料

中華民國消費者文教基金會：螢光燈泡品質大評鑑。

卡樂燈泡專業網。取自http://www.buylamp.com.tw/。

製作

戴嘉言

指導老師

朱慶琪

撰稿

戴嘉言

發佈於物理

平面鏡的干涉現象

目的

平面鏡的干涉現象(Interference)。

實驗

實驗裝置：在一平臺上設置一雷射(Laser)光源、旋轉臺、旋轉臺上放置一反面鏡、以及放大鏡

利用一雷射光源，打到一平面鏡上，反射後光束經一放大鏡，使其光束發散以利觀察干涉現象。

原理思考

平面鏡為何也有干涉現象？

干涉現象的形成是由於不同相(Phase)的光疊加而成，此實驗中的相差是由於光在第一層被反射和第二層被反射時所造成的

fig118

討論

1.若將整套儀器置入水中，此時會有何種情況發生？

2.若將光源換成白光，此時會有何種結果產生？

3.若使用非同調性(incoherence)的光源，此時會有何種情況發生？

4.若在光源和反射鏡間放置一偏振片(polarizer)，此時會有何種情況發生？

5.試問是否旋轉任意角度均有干涉現象？

6.試問任意鏡片厚度均有干涉現象？

關於實驗

若將放大鏡置換成高放大倍率的鏡頭(例：顯微鏡頭)效果更明顯

參考資料

"Fundamentals of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch33-35.

"Interference fringes with a laser", Am. J. Phys. 64(4), 1996

製作

v.1 黃時霖

指導老師

朱慶琪

撰稿

黃時霖、朱慶琪

發佈於物理

掌中光譜儀

目的

簡單的光譜(spectrum)分析

實驗

將掌中光譜儀的開口處對準光源，觀察光源所形成的光譜

1.以日光燈為光源的光譜.光譜儀為第一版v.1

2.以白熾燈為光源的光譜.光譜儀為第一版v.1

3.光譜儀為第三版v.3

原理思考

看似彩虹的光是如何得到的？

fig117

圖一代表以平行光垂直入射光柵，狹縫與狹縫之間的距離為 $d= \frac{W}{N}$ ( $W$ ：光柵片寬度、 $N$ ：狹縫數)，光通過在屏幕上任意之觀察點 $P$ 產生干涉(interference)。光柵為一狹縫數 $N$ 很大的多狹縫，狹縫之間的距離很小，每個縫所形成的繞射條紋會重疊而互相干涉，主要的干涉亮紋會變得非常狹窄而明亮，其它的干涉亮紋會相對較暗而看不見，因此，出現寬度極窄的干涉亮紋。

fig212

若要在 $P$ 點形成一亮點，必需在該點形成建設性干涉，從圖二可知，從相鄰兩狹縫出發光源的光程差是波長 $\lambda$ 的整數倍 $m\lambda = dsin\theta$ , $m= 0,1,2,3...$ (1)

當方程式 (1)成立時，可得主要亮紋的位置。由於各色色光的波長 $\lambda$ 均不相同，因此，在相同 $m$ 的情況下， $\theta$ 值會不同，故能看出各色光的差異。

討論

若將此光柵置換成其它條數不同的光柵，對此實驗有何影響？

關於實驗

1.可同本網站中的白光分光、雷射光柵干涉及光碟軌道做比較。

2.Portable pop-up spectroscope

參考資料

“Optics", 4th ed., Addison Wesley, 2002, U.S.A., Ch10.

Portable pop-up spectroscope

製作

v.1 黃時霖

v.2 曾助理

v.3 朱慶琪

指導老師

朱慶琪

撰稿

黃時霖、朱慶琪

發佈於物理

光碟軌道

目的

認識生活中的光柵(grating)及其性質。

實驗

將雷射光入射於光碟片，觀察後面屏幕上的反射光，和一般的反射光有何異同。

原理思考

屏幕上為什麼會出現亮暗點？

fig116

右圖一代表以平行光入射於反射式光柵(reflection grating)，狹縫與狹縫之間的距離為 $a=\frac{W}{N}$ ( $W$ ：光柵片寬度、 $N$ ：狹縫數)，光反射在屏幕上任意之觀察點 $P$ 產生干涉(interference)。光柵為狹縫數 $N$ 很大的多狹縫，狹縫之間的距離很小，每個縫所反射的光會重疊而互相干涉，主要的干涉亮紋會變得非常狹窄而明亮，其它的干涉亮紋會相對較暗而看不見，因此，出現寬度極窄的干涉亮紋。

fig211

若要在 P點形成一亮點，必需在該點形成建設性干涉，從圖二可知，從相鄰兩狹縫反射光源的光程差是波長 $\lambda$ 的整數倍

$\overline{AB}-\overline{CD}=m\lambda$ ,　 $m=0,1,2,3...(1)$

其中， $\overline{AB}-\overline{CD}=a(sin\theta _{m}-sin\theta_{i})=m\lambda, m=0,1,2,3...(2)$

當方程式 $(2)$ 成立時，可得主要亮紋的位置，這就是在屏幕上所見的亮暗點。

討論

1.若入射光源改為白色強光，此時屏幕上所呈現的光為何？

2.本實驗的光碟片置換成有刻度的鐵尺，其結果如何?

關於實驗

1.本實驗光碟片屬於一種反射式光柵。

2.可同本網站中的白光分光、雷射光柵干涉及掌中光譜議做比較。

參考資料

“Optics", 4th ed., Addison Wesley, 2002, U.S.A., Ch10.

製作

v.1 曾助理

指導老師

謝奇文

撰稿

黃時霖

發佈於物理

雷射光柵干涉

目的

觀察不同雷射光源通過光柵(grating)的結果。

實驗

實驗裝置：紅色雷射光源、綠色雷射光源、光柵(530條/mm)。

將紅色雷射光源及綠色雷射光源同時垂直入射於光柵(grating)，觀察後方屏幕所呈的像

原理思考

1.為何有干涉現象?

2.影片中兩種光源經光柵後，在屏幕上的光點，為何兩色光光點散開的角度不一樣？

fig115

圖一代表以平行光垂直入射光柵，狹縫與狹縫之間的距離為 $d=\frac{W}{N}$ 　( $W$ ：光柵片寬度、 $N$ ：狹縫數)，光通過在屏幕上任意之觀察點 $P$ 產生干涉(interference)。光柵為一狹縫數 $N$ 很大的多狹縫，狹縫之間的距離很小，每個縫所形成的繞射條紋會重疊而互相干涉，主要的干涉亮紋會變得非常狹窄而明亮，其它的干涉亮紋會相對較暗而看不見，因此，出現寬度極窄的干涉亮紋。

fig210

若要在 $P$ 點形成一亮點，必需在該點形成建設性干涉，從圖二可知，從相鄰兩狹縫出發光源的光程差是波長 $\lambda$ 的整數倍 $m\lambda =dsin\theta$ , $m=0,1,2,3,...$ (1) 當方程式 (1)成立時，可得主要亮紋的位置。由於各色色光的波長 $\lambda$ 均不相同，因此，在相同 $m$ 的情況下， $\theta$ 值會不同，故能看出各色光的差異。

討論

1.若雷射光不是垂直入射於光柵，則會有何種影嚮？

2.若將環境改在水中進行此實驗，干涉條紋會有變化嗎？

3.用雷射光與白光作實驗有何不同?

關於實驗

1.光柵即多狹縫，若不清楚狹縫干涉現象，可參考實驗O04. 雷射雙狹縫干涉。

2.此實驗使用常見的穿透式(transmission)光柵

3.可同本網站中的白光分光、光碟軌道及掌中光譜議做比較。

參考資料

"“Fundamentals of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch36."

指導老師

謝奇文

撰稿

黃時霖

發佈於物理

雷射單狹縫繞射

目的

光的繞射(diffraction)現象。

實驗

將雷射光源垂直入射於單狹縫(single slit)，觀察後方屏幕上所形成的繞射條紋。

原理思考

為何有繞射條紋?

上圖代表以平行光垂直入射單狹縫，狹縫寬度 $a$ ，狹縫至屏幕距離為 $D$ ，在屏幕上任意之觀察點 $P$ 產生的干涉。波前上的每一點，均可視為一個子波源(此即海更士原理Huygens’ principle)，因此狹縫上的每一點均可當作一新波源。一般來說，實驗儀器的設置，狹縫到屏幕的距離 $D$ ，會遠大於狹縫寬 $a$ ，故從狹縫到屏幕上 $P_{1}$ 的光程，可近似於平行，從圖二可知， $r_{1}$ 和 $r_{2}$ 之間的光程差 $\frac{a}{2}sin\theta$ 若等於半波長 $\frac{\lambda }{2}$ ，則會形成破壞性干涉(destructive interference)。想像把狹縫切成上下兩段，上段中每一點到 $P_1$ 的光路徑，均能在下半段中找到一個跟它的光程差是 $\frac{\lambda }{2}$ 的光路徑，兩者即形成破壞性干涉，上述 $r_{1}$ 和 $r_{2}$ 只是多組配對中的其中一對。

因此，當 $\frac{a}{2}sin\theta=\frac{\lambda }{2}$ 成立時，我們可得到一暗點的存在。同理，若將單狹縫切成四段來看(圖三、四)，用上述的方法，則會發現， $P_2$ 為暗點形成的條件，則為 $\frac{a}{4}sin\theta =\frac{\lambda }{2}$

因此，可推得當暗點形成的條件為 $\frac{asin\theta }{2m}=\frac{\lambda }{2}\Rightarrow asin\theta =m\lambda$ , $m=1,2,3,...(1)$

由此得知單狹縫繞射的亮暗點的分佈。

討論

1.若入射光源改為白光，則結果會如何？

2.若光源非垂直入射於狹縫，則會有何種結果？

關於實驗

本實驗所用單狹縫縫寬為 $0.05mm$ 。

參考資料

“Fundamentals of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch36.

指導老師

謝奇文

撰稿

黃時霖

發佈於物理

雷射雙狹縫干涉

目的

楊格(Thomas Young )於1802年所做的雙狹縫干涉(double-slit interference)實驗，由雷射光來演示。

實驗

將雷射光垂直入射至雙狹縫中，觀察屏幕上所呈的像。

原理思考

為何會有干涉條紋?

干涉條紋

右圖代表以平行光垂直入射雙狹縫，狹縫寬度極小，二狹縫間距為 $d$ ，狹縫至屏幕距離為 $D$ 。二狹縫所代表點光源為 $S_{1}$ 與 $S_{2}$ 。從 $S_{1}$ 及 $S_{2}$ 出發的球面波，在屏幕上任意的觀察點 $P$ 產生干涉現象。

干涉條紋2

如右圖中，線段 $\overline{S_{1^{b}}}$ 為二光源 $S_{1}$ 與 $S_{2}$ 到達 $P$ 點的光程差，從右圖中可知 $\overline{S_{1^{b}}}=dsin\theta$ ，假若 $dsin\theta =m\lambda$ , $m=0,1,2,3...$ 。則 $P$ 點為建設性干涉(constructive interference)亦為亮點，同理，若 $dsin\theta =\left ( n+\frac{1}{2} \right )\lambda$ ,　 $n=0,1,2,3...$ ，則 $P$ 點為破壞性干涉(destructive interference)亦為暗點。

一般來說，雙狹縫實驗的裝置，通常狹縫到屏幕的距離 $D$ 會遠大於亮暗點到中央亮點的距離 $y_{m}$ 。因此，角度 $\theta$ 會很小。所以 $sin\theta \approx tan\theta =\frac{y_{m}}{D}$ , $dsin\theta =d\frac{y_{m}}{D}$ , $m=0,1,2,3...$ 或 $y_{m}=m\frac{D\lambda }{d}$ ,　 $m=0,1,2,3...$ (1)

當 $m=0$ 代入方程式(1)中可得 $y_{m}=0$ ，即為中央亮點。 $y_{m}$ 表示第 $m$ 個亮點到中央亮點之距離。

$\Delta y=y_{m+1}-y_{m}=\frac{D\lambda }{d}$ ，表示第 $m$ 個亮點到第 $m+1$ 個亮點之間的距離。 $y{}'_{m}=\left ( m+\frac{1}{2} \right )\frac{D\lambda }{d}$ ，則為第 $m$ 個暗點與中央亮點之距離。且相鄰二暗點之間的距離為， $\Delta y{}'=y{}'_{m+1}-y{}'_{m}=\frac{D\lambda }{d}$

上述方程式中的 $D$ 、 $\lambda$ 、 $d$ 、 $m$ 均為常數。故任意相鄰二亮或暗點之間距均為等距離。

討論

1.若雷射光不是垂直入射於雙狹縫，則會有何種影嚮？

2.若將雷射光置換成白光，此時會有何種情況發生？
3.若將環境改在水中進行此實驗，干涉條紋會有變化嗎？

關於實驗

1.此實驗為一經典實驗，確立了光是具有波動性的性質。

2.本實驗所用狹縫寬0.05mm，狹縫間距0.25mm。

參考資料

"Fundamentals of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch35.

"維基百科"

指導老師

謝奇文

撰稿

黃時霖，朱慶琪

發佈於物理

白光光柵分光

目的

觀察白光經過光柵的分光效果。

實驗

實驗裝置：白光光源、光柵(530條/mm)、單狹縫、凸透鏡。

將白光光源垂直入射於光柵(grating)，觀察後方屏幕上所呈的像

原理思考

光柵為何可以分光?

圖一代表以平行光垂直入射光柵，狹縫與狹縫之間的距離為 $d= \frac{W}{N}$ ( $W$ ：光柵片寬度、 $N$ ：狹縫數)，光通過狹縫後在屏幕上任意的觀察點 $P$ 所產生的干涉(interference)。

光柵為狹縫數 $N$ 極大的多狹縫，狹縫之間的距離很小，每個縫所形成的繞射條紋會重疊而互相干涉，主要的干涉亮紋會變得非常狹窄而明亮，其它的干涉亮紋會相對較暗而看不見，因此，出現寬度極窄的干涉亮紋。

若要在 $P$ 點形成一亮點，必需在該點形成建設性干涉，從圖二可知，從相鄰兩狹縫出發光源的光程差是波長 $\lambda$ 的整數倍 $m\lambda = dsin\theta$ , $m= 0,1,2,3,...$ (1) 當方程式(1)成立時，可得主要亮紋的位置。由於各色色光的波長 $\lambda$ 均不相同，因此，在相同 $m$ 的情況下， $\theta$ 值會不同，故能看出各色光。

討論

若將光柵置換成其它條數不同的光柵，對此實驗有何影嚮？

關於實驗

1.本實驗所使用的光源為一強光源，在一般教室仍能看出白光分光的效果。所用光柵530條/mm。

2.可同本網站中的雷射光柵干涉、光碟軌道及掌中光譜議做比較。

參考資料

“Fundamental of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch36.

指導老師

謝奇文

撰稿

黃時霖

發佈於物理

白光稜鏡色散

目的

觀察白光經過三稜鏡的色散現象。

實驗

實驗裝置：燈泡、三稜鏡、單狹縫、凸透鏡。

以燈泡為光源，光經由單狹縫與凸透鏡入射三稜鏡，觀察三稜鏡折射的光線於遠處呈像的結果。

原理思考

為何會有色散現象？

光的行進為電磁波傳遞。不同頻率的電磁波於介質中傳播的速度不同。光斜向入射經過不同介質介面時，依照Snell’s law 而有不同的折射角。 fig111 fig27

討論

1.實驗中單狹縫的作用為何?

2.實驗中凸透鏡的作用為何?

3.以日光燈做本實驗的結果如何?

4.討論彩虹成因。

關於實驗

可以幻燈機作光源。

參考資料

"Optics"

"普通物理教科書"

指導老師

陳泰利、謝奇文

撰稿

陳泰利

發佈於物理

光線折射

目的

觀察光經過不同介質界面時的折射現象。

實驗

實驗裝置：雷射，具角度刻度的半圓形透明水槽。

1.將雷射光從空氣中打入裝水的半圓形水槽，改變入射角，觀察光線入射與折射的角度變化。

2.將雷射光從下方圓形水槽入射，改變入射角，觀察光線入射與折射的角度變化。

3.更換不同液體裝入槽中，觀察實驗結果。

原理思考

光經過不同介質界面時為何會折射?

光的方向由折射率大的介質進入折射率小的介質會偏向界面，入射角度夠大的話，折射角將等於90度，此入射角即發生全反射的臨界角，此時能量如何傳遞?

fig110

光在不同介質中行進的速度不同， $\upsilon = f,\lambda = \frac{1}{\sqrt{\mu \epsilon }}$ ，在頻率相同的條件下，波長因而不同。斜向入射時角度偏折將保持波在界面上的相位相同。

除了反射波外，折射能量將沿著界面傳遞，在界面兩邊呈指數衰減，即所謂表面波(surface wave)。

討論

1.光經過不同介質界面折射時也有反射發生嗎?

2.光由折射率大的介質進入折射率小的介質，若入射角比發生全反射的臨界角還大時，能量如何傳遞?

3.討論光纖傳輸原理。

4.折射的路徑是光走最短路徑嗎?物理如何解釋?

關於實驗

雷射筆可做光源。

參考資料

普通物理教科書

指導老師陳泰利

撰稿陳泰利

發佈於物理

帶電流導線在磁場中的運動

目的

燈絲在點亮時，有電流通過。此時若加上磁場會有什麼現象。

實驗

實驗裝置：將白熾燈泡通以交流電，在旁邊加上磁鐵，觀察燈泡內的變化。

原理思考

將燈泡在通以交流電後，為何靠近磁鐵後發現燈絲的形狀改變，但遠離磁鐵又會復原狀？

燈絲可以視為帶電流的一段導線，放置於磁場中會受到F=ILB的作用力，使燈絲移動，而交流電的的方向不斷的改變，燈絲的受力方向也因此不斷的改變，造成我們看到的晃動現象。

討論

是否可將實驗結果更加清楚呈現？

(燈絲太細無法清楚辨識)

燈泡亮度與其結果是否有關？

1.可以，本實驗中使用之方法如下將燈泡調至最亮並加上燈罩(上方為空)，使用凸透鏡成像原理將燈絲之像成像至屏幕(白板、牆壁或其他欲展示處) 2.有影響，同一燈泡之亮度與其上通過之電流平方成正比，而電流大產生之磁場較大，若燈絲在燈泡內的固定方式相同，則理論上電流大晃動應更明顯。

關於實驗

實驗用的燈泡需使用有燈絲的燈泡，LED、日光燈管是看不到此現象的。

參考資料

http://www.physics.montana.edu/demonstrations/video/5_electricityandmagnetism/demos/acdcmagneticcontrast.html

製作

葉尚祐

指導老師

朱慶琪

撰稿

朱慶琪、葉尚祐

發佈於物理

搖搖生電

簡介

利用手腕搖動使吸管中的磁鐵和線圈作相對運動，當磁鐵進出線圈的過程中將產生電磁感應，藉此來設計搖搖生電。

製作步驟

準備材料：吸管×1、橡皮筋×1、已剪切海棉塊×2、磁鐵×1、漆包線圈×1、LED燈×1、透明膠帶×1、雙面膠×1、剪刀×1。
1.將一根粗吸管剪斷約9cm 長，再將兩端各剪出V型缺口。
2.將磁鐵放入吸管中，吸管兩端用海綿塊塞住，再用橡皮筋套在吸管上V型缺口處當作固定用。
3.將漆包線圈線兩頭部分的漆用砂紙磨除，裸露出銅線的部分分別纏繞在LED燈的兩個電極處，注意裸露銅線不可彼此接觸避免短路，再將LED燈用透明膠帶固定於漆包線圈上
4.最後將吸管塞入已纏繞LED燈的漆包線圈中心的孔洞，用膠帶將吸管與線圈固定後，搖搖發電即製作完成。

操作要領

拿著吸管的一端沿著吸管的方向用力地重複搖動，且發電過程中若能降低周圍燈源的干擾，更能看出LED燈閃爍的效果。

教學使用方式

搖搖生電可讓學生探索:
“搖搖生電”的原因?
為什麼LED 燈光是一閃一閃的，而不是一直亮著?
控制燈光明亮強度的原因有那些?

發佈於物理

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第 80 頁，共 90 頁

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