檢視利用反射式光柵探討表面張力的原始碼

<font size="5">光學繞射與表面張力</font>

<div style="float:left;">
<font color="red" size="4">利用喇叭在液體表面產生毛細波(capillary wave)並用光學繞射光柵原理來測量表面張力。 &emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;<br></font><br>

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<div style="float: right; border:black 1px solid;">
<font color="blue">實驗材料: </font>
*1. 5寸喇叭 1個 
*2. 雙面膠(勿貼在隔板上)與無痕膠帶各1卷 
*3. 雷射筆(含電池)1支,其波長為 635nm 
*4. 訊號產生器1台 
*5. 壓克力盒1個 
*6. 計算機1台 
*7. 尺與皮尺1組 
*8. 紙杯1個 
*9.白紙5張 
*10.漆包線1條 
*11.支架2 組包含菱形與三叉夾各2個 
*12. BNC 線2條 
*13. 電源線1條 
*14.塑膠培養皿2 個 
*15. 方格紙1本 
*16. 剪刀1把
*17. 抹布1條
*18.塑膠收納盒1個

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==1.現象說明： ==
<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B1.png'/>
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==2.初探與假說：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說） ==

*2.1思考點波源在水中如何形成水波。 

*2.2思考毛細波與繩波的共通點。 

*2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。 

*2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。 
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==3.設計實驗與執行 ==

*3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。 

:*3.1.1實驗數據圖 
<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B2.png'/>
:*3.1.2分析實驗結果 
*3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力 
:*3.2.1 實驗數據圖 
<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B3.png'/>
:*3.2.2分析實驗結果 
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==4.分析與結論 ==

*4-1 能藉由觀察公式來推論並分析出相關趨勢線。 

*4-2 能從所記錄數據與繪製的數據圖中，瞭解還有需要設計實驗與執行的項目。
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==5.教學目標與評量 ==

*5-1 理解並應用光學繞射光柵原理。 

*5-2 利用現有器材資源，與學習到的知識。考驗學生能否融會貫通，以及取適當物理量來實驗分析。 

*5-3 讓學生學習科學素養，即探究現象，最後精緻化結果。 
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==6.參考資料： ==
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==7.參考說明 ==

*<b>2.1思考點波源在水中如何形成水波。 </b>

:*藉由示範影片中以常見的點波源去擾動水面形成水波，再進而引導學生認識到水波的形成主要原因，主要是因為水分子彼此間之吸引力所引起的表面張力。 

 

*<b>2.2思考毛細波與繩波的共通點。 </b>

:*手拉動繩子產生繩波，如同這實驗的漆包線拉動水波表面產生水波，表面張力波其實就類似水面上的漣漪，產生原因也包含表面張力，如同上下振動繩子產生繩波一般，繩波波速和繩張力、線密度相關，漣漪的波速也和表面張力、液體密度相關。 

 

*<b>2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。 </b>

:*讓學生觀察水波表面的構造，先詢問出光行進的性質後再進而引導出光還有干涉和繞射之特性，最後讓學生知道雷射光會將水波作為反射式光柵然後繞射。 

 

*<b>2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。 </b>

:*因為V=λf所以當波傳遞的介質都是水時波速就為定值，因此當頻率增加水波的波長就會減少，光程差為d(sinψ − sinφ) = mλ，其中ψ為入射角φ為繞射角，所以當ψ=φ會形成第零階的繞射亮紋，當ψ≠φ就會造成1、2、3…階的亮紋，所以當d變小時又因光程差必須相同 ，因此繞射亮紋間距就會增加。 

*<b>3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。 </b>

:*3.1.1實驗數據圖 
<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B4.png'/>

:*3.1.2分析實驗結果 
:*改變不同L的值後去測量其相對應的H值，再用H-L做一回歸直線，由於第零階繞射點到水平面的夾角為tan−1(HL)=θ，所以的到θ值為0.0418(弧度)。 

 

*<b>3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力 </b>

:*3.2.1 實驗數據圖
<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a8/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B5.png'/>

:*3.2.2分析實驗結果 

:*表面張力實驗值= 0.0712 N/m，30°C 條件下理論值=0.0710 N/m，誤差0.28%