"動手學科學/物質科學I/光與熱" 修訂間的差異
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於 2020年2月5日 (三) 03:04 的最新修訂
目錄
關於光
原始設計者：張又懿
先備知識
流體中的密度
D ＝ M / V(密度＝質量/體積) 物質每單位體積內所含有的質量，稱為該物質的密度。 流體密度的計算方法與固體密度的計算方法是一樣的，但流體的密度比固體好改變，在水裡面加一把鹽，攪拌攪拌就能改變了。也有一些物理只能在流體裡討論，比如浮力等等......
密度如何影響折射率？
密度用生活化的例子來解釋。想像兩個月台，一個月台人來人往與另一個月台杳無人煙，把自己想像成一道光，穿過杳無人煙月台一定比較容易，相對的穿過人來人往月台就難多了。 可以用這個道理去想像光在介質當中的運行。
Snell's Law
原理
光線在通過不同密度的介質時，例如在通過空氣和水的界面時，光線的角度會發生一定的偏轉，叫做光線的折射。糖在魚缸裡會慢慢溶解，由於沒有攪拌，魚缸上部的水里溶解了更少的糖，下部的水里溶解了更多的糖。從上部到下部，水中的糖是逐漸增加的，也就是說，糖水的濃度是逐漸增加的。這個小實驗利用不同密度的糖水對光線的折射作用，讓激光發生彎曲。由於糖水的密度是逐漸發生變化的，激光光線在經過不同密度的糖水的時候，連續發生折射，看起來就是“光線慢慢彎曲”了。
液體折射率與溫度之關係
一般情況下，液體折射率與溫度成反比， 溫度越高分子越活躍 ，分子密度越小，折射率越小。 折射率，光在真空中的傳播速度與光在該介質中的傳播速度之比率。材料的折射率越高，使入射光發生折射的能力越強。
影響液體折射率之因素
兩種介質進行比較時，折射率較大的稱光密介質，折射率較小的稱光疏介質。 折射率與介質的電磁性質密切相關。根據電磁理論，εr和μr分別為介質的相對電容率和相對磁導率。折射率還與波長有關，稱色散現象。
影片
探究問題
密度影響折射率的規則是什麼?
- Ans: 不同物質（比如：糖水與鹽水）造成的密度不一的流體，影響折射率雖不成正比，但如果以同一種物質（比如：糖）形成密度不一，折射率的變化就形成了正關係。
如果一盆流體當中的密度不平均，該如何計算流體折射率?
- Ans: 因為原本預設的題目由一盆密度不一的糖水進行實驗，但因為這樣的實驗並不好量化，所以把彎曲的這個部分放大，一次只測量兩個介質，這樣比較有辦法將實驗結果量化並進行分析。
氣體折射率受那些因素影響？
- Ans: 氣體折射率與溫度和壓力有關。 空氣折射率對各種波長的光都非常接近於1，例如空氣在20℃，760毫米汞高時的折射率為1.00027。 在工程光學中常把空氣折射率當作1，而其他介質的折射率就是對空氣的相對折射率。
糖溶液如何改變折射率？
- Ans: 糖溶液的折射率隨濃度增大而升高。 因為物質的折射率因溫度或光線波長的不同而改變，介質的溫度升高，折射率變小。 光線的波長越短，折射率越大。
液體折射率受那些因素影響？
- Ans: 兩種介質進行比較時，折射率較大的稱光密介質，折射率較小的稱光疏介質。 折射率與介質的電磁性質密切相關。根據電磁理論，εr和μr分別為介質的相對電容率和相對磁導率。折射率還與波長有關，稱色散現象。
關於熱
介紹
史特林發動機（Stirling Engine）又名熱空氣引擎，一種閉循環活塞式熱機。閉循環的意思是膨脹和壓縮介質一直保存在氣缸內，而開循環，如內燃機需要與大氣交換氣體。史特林發動機一般被歸為外燃機。
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先備知識
熱的本質
- 分子會追求亂度
- 熱來自能量
- 「熱」這個現象，來自於分子震動這個物理行為所產生。
當一股能量注入一個物質，這個物質中的每個分子平均受到的能量升高，於是分子開始「躁動」，開始震動之後這個流體或物體，就會形成所謂的「變熱」
溫度如何影響氣體體積
理想氣體方程式
原理
運作流程圖
補充資料
波以爾定律
波以耳-馬略特定律（英語：Boyle's law，也稱作Boyle–Mariotte law或Mariotte's law），在定量定溫下，理想氣體的體積與壓力成反比。是由愛爾蘭化學家羅伯特·波以耳，在1662年根據實驗結果提出：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力和體積成反比關係。」稱之為波以耳定律:此定律實驗結果首先由Henry Power[1]所發現。這是人類歷史上第一個被發現的「定律」。馬略特在1676年發表在《氣體的本性》論文中：一定質量的氣體在溫度不變時其體積和壓力成反比。波以耳和馬略特這兩人是各自分別獨立確立定律的，因此在英語國家，這一定律被稱為波以耳定律，而在歐洲大陸則被稱為馬略特定律。
- V 表示氣體的體積
- p 表示壓力
- k 為一正常數
火力發電廠
和大部分的發電場一樣，火力發電廠是透過旋轉發電機來產生電。
探究問題
請舉出可能造成史特林引擎實驗失敗的原因。
- Ans:
- 軸線不直，使得活塞上下時容易卡住。
- 冷熱溫差不夠大。
- 活塞會導熱，造成上下兩邊的溫度變得一樣。
請問活塞為什麼會被推起來？
- Ans: 因為氣體膨脹，將活塞給推了起來。
探究問題
請問光是一種什麼？
- Ans: 光既是一種高頻的電磁波，是一種能量，又是一種由稱為光子的基本粒子組成的粒子流。因此光同時具有粒子性與波動性，或者說光具有「波粒二象性」。
請問熱這個現象從何而來？
- Ans: 熱這個現象，來自於物體內部的分子振動。
當溫度升高之後氣體會怎麼樣呢？
- Ans: 氣體將會膨脹。
光與熱有什麼共同的特性？
- Ans: 都是一種能量，能夠激發別的物質。
