水壺透鏡

原始設計者：彰師大

在電影情節裡常出現主角在野外求生時，利用一瓶裝滿水的透明水壺在大太陽底下生火。試探究此方法是否可行，以及背後的原理。	實驗材料： 1.透明圓柱形水壺1個 2. A4紙1張 3.捲尺1個 4.原子筆1支 5.剪刀1支 6.膠帶1捲 7.直尺1把 8.相機1台 9.甘油1公升

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1.現象提示與參考：

如圖一、圖二所示，將畫有箭頭的小紙條放在水壺後方，根據紙條與水壺放置的距離不同與觀測者所在的位置不同，會看到紙條上所畫的箭頭方向相反。試探究此現象成因。

(圖二、折射與反射)

(圖三、全反射)

2.初探與假說：

• 2.1思考裝了水的水壺為何會讓所看見的景象扭曲?
• 2.2裝滿水的水壺跟凸透鏡的聚焦效果有何不同?造成差異的原因有哪些?
• 2.3若是將水壺內的水換成甘油會有何不同?
• 2.4裝滿水的水壺有辦法像凸透鏡那樣在陽光底下讓紙張燃燒起來嗎?

3.設計實驗與執行

• 3.1將紙條畫上向右的箭頭，放在裝滿水的水壺後方，調整紙條與水壺的距離，寫下你所觀察到的現象。
  • 3.1.1紀錄觀察結果。

• 3.2根據凸透鏡成像的特性(請參考表一)，利用水壺當作凸透鏡，調整紙條與水壺以及相機三者之間的距離關係，紀錄此三者的距離以及成像的結果，確認以水壺當作透鏡是否會出現放大正立虛像、放大倒立實像、大小相等的倒立實像、縮小倒立實像。

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

物體位置	成像位置	成像結果
無窮遠	F上	一點，倒立實像
2F外	F~2F	縮小倒立實像
2F上	2F上	大小相等的倒立實像
F~2F	2F外	放大倒立實像
F上	無窮遠	無法成像
F內		放大正立虛像

(表一、凸透鏡成像特性)

• • 3.2.1紀錄觀察結果。

• 3.3將紙張貼在水壺瓶身，只留一道0.5公分寬的縫隙(如圖三所示)，重複3.2的實驗，找出水壺的焦距。

(圖一、實驗設置)

• • 3.3.1紀錄觀察結果。

• • 3.3.2找出水壺的焦距。

• 3.4將水壺內的水換成甘油，重複3.2的實驗，確認成像結果是否有凸透鏡的特性。
  • 3.4.1紀錄觀察結果。

• 3.5重複3.3的實驗，找出裝有甘油的水壺焦距。
  • 3.5.1紀錄觀察結果。

• • 3.5.2找出裝有甘油的水壺焦距。

• 3.6比較在3.2~3.5的實驗中，有貼紙張遮蔽跟沒貼紙張遮蔽的差別，試探討造成像差的原因。
  • 3.6.1寫下所有可能造成像差的原因。

• • 3.6.2根據以上所有實驗，你認為利用裝滿水的水壺在陽光底下生火是可行的辦法嗎?

4.分析與結論

• 4.1藉由現象的觀察，能思考背後可能的原因。
• 4.2藉由實驗，了解不同介質對於聚焦效果的影響。
• 4.3探討造成像差的原因。
• 4.4根據實驗結果，推斷電影情節的可行性。

5.教學目標與評量

• 5.1能運用凸透鏡成像的特性，驗證水壺透鏡是否遵循凸透鏡的成像特性。
• 5.2能了解不同介質對於聚焦效果的影響。
• 5.3了解像差對於聚焦效果的影響。
• 5.4探究電影情節裡物理現象的真實性。
• 5.5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。

6.參考資料

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