"動手學科學/物質科學Ⅲ/光波與光速" 修訂間的差異
(→活動二 巧克力) |
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於 2025年4月4日 (五) 22:39 的修訂
目錄
一、透明
- 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？
- 看以下兩張維基百科圖照。
- 看影片
參考資料
- 熱像儀新舊買賣交流區
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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。
(補圖 電磁波動 駐波)
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。
(補圖 頻率高低影響)
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*10^8 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
- 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。
- 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。
- 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
- 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
- 請同學將第一片巧克力放進微波爐中加熱60秒。
- 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。
- 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
- 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。
- 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。
三、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。
- 都遵守：λ =h/p ，波長＝普朗克常數／動量
- 對光子來說波振輻的大小代表電磁場的大小。
- 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 |
|---|---|---|---|---|---|
| 7×10-7 | 5.3×10-7 | 4.6×10-7 | 8.7×10-11 | 2×10-12 | 1.1×10-34 |
- 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
- 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。
- 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。
- 算出干涉條紋間隔。
- 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 |
|---|---|---|
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- 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。
