光學現象與探討

原始設計者：彰師大

當一平行光束斜向入射在一透明有厚度之固體平板，部分光線會折射並透射至平板另一側，另一部分光線則會被反射。屏幕上的圖形亮度與相對位置都會受到透明平行板影響而有所不同。試探討此現象成因。	實驗材料： 1. 固定鐵架座 1個 2. 鐵柱 3個 3. 固定夾 3個 4. 游標卡尺 1支 5. 壓克力圓板(單面鍍膜) 1個 6. 油性細簽字筆 1支 7. 方格紙 數張 8. 紅光雷射筆 1支 9. 長尾夾 5個 10. 硬紙板 1張 11. 鉛錘 1顆 12. 三角板 1組

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現象說明：

當一平行光束斜向入射在一壓克力圓板，部分光線會折射並透射至平板另一側，另一部分光線則會被反射。若在反射線路徑上架設一屏幕(如圖一)，則能在屏幕上發現與圖二相似的現象。由實驗觀察可以發現圖中的光點，其亮度與相對位置都會受到壓克力圓板影響而有所不同。試探討此現象成因。

初探與假說：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說）

• 2.1 思考教師展示雷射打到鏡子與水中的現象，屬於反射還是折射? 並說明相關的物理。
• 2.2 思考教師展示雷射打到壓克力圓板，屏幕上看到的圖形是屬於繞射還是干涉?
• 2.3 讓學生實驗雷射打到壓克力圓板，詳述實驗步驟，並從實驗中觀察雷射入射角θ和屏幕兩光點距離X的定性關係為何? (入射角度變大，兩點距離變小還是變大?)
• 2.4 從光路思考屏幕兩光點距離X、入射角θ、平板折射率n和平板厚度t的關係式。小組討論後並每組給予五分鐘內發表討論結果。
• 2.5 從小組內討論的結果，思考用適當的物理量，做線性回歸並分析得到平板折射率n值

設計實驗與執行

• 3.1設計出一項實驗，探究雷射入射角θ和屏幕兩光點距離X的關係。
  • 3.1.1實驗數據圖
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• 3.1.2分析實驗結果

• 3.2取適當的物理量，線性回歸分析得出壓克力圓板折射率n值。
  • 3.2.1實驗數據圖
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• 3.2.2分析實驗結果

分析與結論

• 4.1 能從前述所記錄數據與繪製的數據圖中，分析出相關趨勢，結論出可能之定性關係。
• 4.2 能進一步從記錄之數據與繪製之數據圖中，粹取出相關重要物理量，進一步繪製關係圖，結論出定量關係式。
• 4.3 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。

教學目標與評量

• 5.1 複習司乃耳定律(Snell’s law )和反射定律。
• 5.2 從現象觀察中，分辨干涉與繞射。
• 5.3 利用現有器材資源，與學習到的知識，設計實驗求得出折射率n。考驗學生能否融會貫通，以及取適當物理量來實驗分析。
• 5.4 讓學生學習科學素養，即探究現象、提出假說、實驗證明假說，最後精緻化結果。

參考資料

[1] 2016科學能力競賽題目