"動手學科學/物質科學Ⅲ/光波與光速" 修訂間的差異

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[[分類:動手學科學/物質科學Ⅲ]]
 
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==一、透明==
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<div style='float:right'><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/Electromagnetic-Spectrum-zh-remarks.png'/></div>
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:#[http://twees.info:9001/p/MS-7 http://twees.info:9001/p/MS-7]
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:#調查要參加實作評量的同學
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==透明==
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<div style='float:right'><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/Electromagnetic-Spectrum-zh-remarks.png' width=350 height=532 /></div>
 
# 再說明電磁波光譜
 
# 再說明電磁波光譜
 
# 以不透明塑膠袋罩住紅外線遙控器，觀察紅外線是否能穿透「塑膠袋」？「塑膠袋」對紅外線是否透明？
 
# 以不透明塑膠袋罩住紅外線遙控器，觀察紅外線是否能穿透「塑膠袋」？「塑膠袋」對紅外線是否透明？
 
# <span style='vertical-align:top;'>看以下兩張維基百科圖照。<br/><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Human-Infrared.jpg'/><br/><br/><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/Human-Visible.jpg'/></span>
 
# <span style='vertical-align:top;'>看以下兩張維基百科圖照。<br/><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Human-Infrared.jpg'/><br/><br/><img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/Human-Visible.jpg'/></span>
 
# 看影片
 
# 看影片
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<vidoflash>bLDnoOp79Os</vidoflash>
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<videoflash>bLDnoOp79Os</videoflash>
  
 
====參考資料====
 
====參考資料====
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#*二手的有賣到四千多
 
#*二手的有賣到四千多
  
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===三、綠光干涉===
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==微波爐算光速==
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====(一)先備知識====
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===目的===
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*光子和電子都具有：粒子/波雙重性，會出現類似的雙狹縫干涉條紋。
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讓學生瞭解可以從微波爐與簡單的紙筆或巧克力算出光速
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*#都遵守：λ =h/p ，波長＝普朗克常數／動量
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===原理===
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*#對光子來說波振輻的大小代表電磁場的大小。
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微波在微波爐中傳遞的時候會產生電磁波動的駐波，讓水分子隨著電場波動按照電場排列。<br>
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*#對電子來說，波振輻的平方等於等於電子出現的機率。
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若是在電場變化最劇烈的點(波峰或波谷)，會讓水分子之間或與其他物質互相摩擦產生熱能，讓該點溫度上升。
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<table class=nicetable>
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若要受熱均勻就要加入旋轉盤，讓每個點都能被均勻加熱。
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<tr><th>紅光</th><th>綠光</th><th>藍光</th><th>用200伏特加速的電子</th><th>用200伏特加速的質子</th><th>秒速40米150克的棒球</th></tr>
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<br>([https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=file%3AStanding+Wave&title=Special:MediaSearch&type=image 參考圖])<br><br>
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<tr><th>7×10<sup>-7</sup></th><th>5.3×10<sup>-7</sup></th><th>4.6×10<sup>-7</sup></th><th>8.7×10<sup>-11</sup></th><th>2×10<sup>-12</sup></th><th>1.1×10<sup>-34</sup></th></tr>
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微波爐的微波頻率選擇除了要讓食物吸收還要穿透進食物，若是頻率太低，會讓大部分的波穿透過去而無法吸收，若頻率太高，會在表面就被吸收而進不了食物。所以微波爐選用的2450MHz就是在實驗過後加熱效果最佳的專用頻率。
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</table>
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<br/><img src='https://cdn.sairem.com/wp-content/uploads/2020/03/SAIREM-Dielectric-heating-principle.png' width=500 height=* />
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*在微觀世界中，電子是可以「同時」出現在甲地，也「同時」出現在乙地，只是分別在甲地與乙地被找到的機率各有不同，其出現機率由波函數表達。
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*1927年，貝爾實驗室將電子射向鎳結晶，發現其繞射圖譜電子被證實有波的性質。
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微波和可見光都是一種電磁波，電磁波是一種非力學波(不需要介質即可傳遞)，在真空中無論甚麼頻率都是299,792,458 m/s (3*10<sup>8</sup> m/s) 也不會因為跟觀察者有相對運動而改變數值。
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*速度以每秒40米，質量為0.15公斤的棒球，其波長為 10<sup>-34</sup> ，比原子核還要小很多很多，根本測不出來。
 
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*1999年，富勒烯被測出有波的性質。
 
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<img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/Fullerene-C60.png' width=100px height=100px />
 
  
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====(二)操作====
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===場地===
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#每組發一隻雷射筆，一張紙，一支 0.5 mm 自動鉛筆芯，夾子大小各一，同學自備可調焦距的手機。
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*視學生人數安排得插電的室內空間。
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#每組三人以上分工，一人持夾子和雷射筆，並持筆芯中分雷射筆；一人拿紙和尺，映照出雙狹縫干涉條紋，並用刻度尺對準干涉圖樣；一人用手機拍下來。
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===材料準備===
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#算出干涉條紋間隔。
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*微波爐
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#運用公式：
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*白紙 3~5張
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#:光程差(1波長)／狹縫間距(0.5mm)＝sinθ ≈ tanθ=亮紋間隔／筆紙間距(約四米)
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*擦擦筆(黑色) 數支
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<img src='http://science4everyone.net/file/共用/雙狹縫干涉.png' width=250px height=*/>
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*片狀巧克力 數片
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*活動照片
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===活動流程===  
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<table class=nicetable>
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====活動一 白紙====
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<tr bgcolor=#ffff66>
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#請同學用擦擦筆畫滿3張白紙，然後將第一張放進微波爐中加熱60秒。
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<th>實驗材料</th>
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#將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二章白紙，同樣加熱60秒，觀察紙張表面圖案與有旋轉盤時有何差異。
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        <th>筆芯史雷射光產生雙狹縫干涉</th>
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#請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
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        <th>量測干涉條紋間距</th>
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#量出圖案的中心到中心距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。
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</tr>
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====活動二 巧克力====  
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#請同學將第一片巧克力放進微波爐中加熱60秒。
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#將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二片巧克力，同樣加熱60秒，觀察融化狀態與有旋轉盤時有何差異。
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#請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
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#量出融化點到融化點間之距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。
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#<span style='vertical-align:top;'>可參考下列影片<br/><videoflash>IGHZGYEr4vU</videoflash><!--0:34~7:50--></span>
  
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<tr>
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<!--<videoflash src='http://jendo.org/uploadFiles/s4e/videos/光速不變.mp4' type=html5 width=425 ></videoflash>-->
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<td>
 
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<img src='http://science4everyone.net/s4e/公開課pic/108物質科學I/1030物質的組成/活動/粒子、波雙向性/雙狹縫干涉材料.jpg' width=225px height=*/>
 
−
</td>
 
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<td>
 
−
<img src='http://science4everyone.net/s4e/公開課pic/108物質科學I/1030物質的組成/活動/粒子、波雙向性/用長尾夾固定雷射筆1.jpg' width=300px height=*/>
 
−
</td>
 
−
<td>
 
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<img src='http://science4everyone.net/s4e/公開課pic/108物質科學I/1030物質的組成/活動/粒子、波雙向性/測量干涉間距1.jpg' width=350px height=*/>
 
−
</td>  
 
−
 
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</tr>
 
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</table>
 
−
*注意：筆芯貼著雷射筆筆尖，垂直對準雷射筆中央，盡量剛好把雷射光切一半
 
  
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====(三)探究問題====
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===注意事項===
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<s4e>
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*請勿將金屬或非實驗所需物品放進微波爐，也不要直視微波爐內，避免發生危險
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pid=354
+
 
−
show=問題探究
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===探究問題===
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</s4e>
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<mwdetails><summary>為何有旋轉盤時，筆跡會消失(巧克力全部融化)？</summary>
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<p></p>
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<dl><dd>Ans: 因為微波爐旋轉會讓裡面的整片受熱均勻，筆跡就會全部消失(巧克力就均勻融化)。</dd></dl>
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<p></p></mwdetails>
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<mwdetails><summary>為何拿走旋轉盤之後，會有圖案的改變(巧克力產生融化點)？</summary>
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<p></p>
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<dl><dd>Ans: 微波會在微波爐內產生駐波，在波峰與波谷時能量最大，就會在波峰與波谷產生熱點，讓筆跡消失或是巧克力融化。</dd></dl>
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<p></p></mwdetails>
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<mwdetails><summary>為何要乘兩倍？(補圖說明波長 波峰波谷)</summary>
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<p></p>
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<dl><dd>Ans: 因為能量最大的點會是波峰與波谷，最相近的熱點就是鄰近的波峰波谷距離，所以要乘以二才會得到波長。</dd></dl>
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<p></p></mwdetails>
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<mwdetails><summary>為何測出微波速度即為光速？(補圖 頻譜)(另外講多一點光速不變)</summary>
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<dl><dd>Ans: 光波與微波都屬於電磁波，因為電磁波不具有靜止質量，可以達到速率的上限，也就是光速。</dd></dl>
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<p></p></mwdetails>
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<mwdetails><summary>生活中，有什麼光速不變的例子？</summary>
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<p></p>
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<dl><dd>Ans: GPS、宇宙通訊等。</dd></dl>
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<p></p></mwdetails>
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==綠光干涉==
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{{:綠光干涉與粒子、波雙重性}}
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==復習==

於 2025年4月4日 (五) 23:06 的最新修訂

點名
共筆頁：
  1. http://twees.info:9001/p/MS-7
  2. 調查要參加實作評量的同學

透明

  1. 再說明電磁波光譜
  2. 以不透明塑膠袋罩住紅外線遙控器，觀察紅外線是否能穿透「塑膠袋」？「塑膠袋」對紅外線是否透明？
  3. 看以下兩張維基百科圖照。


  4. 看影片

參考資料

  1. 熱像儀新舊買賣交流區
    • 新品七八千到一萬多
    • 二手的有賣到四千多

微波爐算光速

目的

讓學生瞭解可以從微波爐與簡單的紙筆或巧克力算出光速

原理

微波在微波爐中傳遞的時候會產生電磁波動的駐波，讓水分子隨著電場波動按照電場排列。
若是在電場變化最劇烈的點(波峰或波谷)，會讓水分子之間或與其他物質互相摩擦產生熱能，讓該點溫度上升。 若要受熱均勻就要加入旋轉盤，讓每個點都能被均勻加熱。
(參考圖)

微波爐的微波頻率選擇除了要讓食物吸收還要穿透進食物，若是頻率太低，會讓大部分的波穿透過去而無法吸收，若頻率太高，會在表面就被吸收而進不了食物。所以微波爐選用的2450MHz就是在實驗過後加熱效果最佳的專用頻率。


微波和可見光都是一種電磁波，電磁波是一種非力學波(不需要介質即可傳遞)，在真空中無論甚麼頻率都是299,792,458 m/s (3*108 m/s) 也不會因為跟觀察者有相對運動而改變數值。

場地

  • 視學生人數安排得插電的室內空間。

材料準備

  • 微波爐
  • 白紙 3~5張
  • 擦擦筆(黑色) 數支
  • 片狀巧克力 數片

活動流程

活動一 白紙

  1. 請同學用擦擦筆畫滿3張白紙，然後將第一張放進微波爐中加熱60秒。
  2. 將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二章白紙，同樣加熱60秒，觀察紙張表面圖案與有旋轉盤時有何差異。
  3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
  4. 量出圖案的中心到中心距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。

活動二 巧克力

  1. 請同學將第一片巧克力放進微波爐中加熱60秒。
  2. 將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二片巧克力，同樣加熱60秒，觀察融化狀態與有旋轉盤時有何差異。
  3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
  4. 量出融化點到融化點間之距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。
  5. 可參考下列影片


注意事項

  • 請勿將金屬或非實驗所需物品放進微波爐，也不要直視微波爐內，避免發生危險

探究問題

為何有旋轉盤時，筆跡會消失(巧克力全部融化)？

Ans: 因為微波爐旋轉會讓裡面的整片受熱均勻，筆跡就會全部消失(巧克力就均勻融化)。

為何拿走旋轉盤之後，會有圖案的改變(巧克力產生融化點)？

Ans: 微波會在微波爐內產生駐波，在波峰與波谷時能量最大，就會在波峰與波谷產生熱點，讓筆跡消失或是巧克力融化。

為何要乘兩倍？(補圖說明波長 波峰波谷)

Ans: 因為能量最大的點會是波峰與波谷，最相近的熱點就是鄰近的波峰波谷距離，所以要乘以二才會得到波長。

為何測出微波速度即為光速？(補圖 頻譜)(另外講多一點光速不變)

Ans: 光波與微波都屬於電磁波，因為電磁波不具有靜止質量，可以達到速率的上限，也就是光速。

生活中，有什麼光速不變的例子？

Ans: GPS、宇宙通訊等。

綠光干涉

(一)先備知識

  • 光子和電子都具有：粒子/波雙重性，會出現類似的雙狹縫干涉條紋。
    1. 都遵守：λ =h/p ，波長＝普朗克常數／動量
    2. 對光子來說波振輻的大小代表電磁場的大小。
    3. 對電子來說，波振輻的平方等於等於電子出現的機率。
紅光綠光藍光用200伏特加速的電子用200伏特加速的質子秒速40米150克的棒球
7×10-75.3×10-74.6×10-78.7×10-112×10-121.1×10-34
  • 在微觀世界中，電子是可以「同時」出現在甲地，也「同時」出現在乙地，只是分別在甲地與乙地被找到的機率各有不同，其出現機率由波函數表達。
  • 1927年，貝爾實驗室將電子射向鎳結晶，發現其繞射圖譜電子被證實有波的性質。
  • 速度以每秒40米，質量為0.15公斤的棒球，其波長為 10-34 ，比原子核還要小很多很多，根本測不出來。
  • 1999年，富勒烯被測出有波的性質。

(二)操作

  1. 每組發一隻雷射筆，一張紙，一支 0.5 mm 自動鉛筆芯，夾子大小各一，同學自備可調焦距的手機。
  2. 每組三人以上分工，一人持夾子和雷射筆，並持筆芯中分雷射筆；一人拿紙和尺，映照出雙狹縫干涉條紋，並用刻度尺對準干涉圖樣；一人用手機拍下來。
  3. 算出干涉條紋間隔。
  4. 運用公式：
    光程差(1波長)／狹縫間距(0.5mm)＝sinθ ≈ tanθ=亮紋間隔／筆紙間距(約四米)

  • 活動照片
實驗材料 筆芯史雷射光產生雙狹縫干涉 量測干涉條紋間距

  • 注意：筆芯貼著雷射筆筆尖，垂直對準雷射筆中央，盡量剛好把雷射光切一半

(三)探究問題

請拍照上傳過程與結果照片。

Ans: 略

在紙上端正寫出組內分工以及計算波長的算式，並上傳照片。

Ans: 略

討論各組結果為何不同？

Ans: 實驗中有各種不同的誤差。

踢除極端值，全班各組做平均。

Ans: 略

上網查出綠光雷射的波長，並跟實驗數據做比較。

Ans: 比較誤差大小，是否在兩個數量級以內。


復習

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