利用反射式光柵探討表面張力
原始設計者：彰師大
光學繞射與表面張力
利用喇叭在液體表面產生毛細波(capillary wave)並用光學繞射光柵原理來測量表面張力。
實驗材料:
- 1. 5寸喇叭 1個
- 2. 雙面膠(勿貼在隔板上)與無痕膠帶各1卷
- 3. 雷射筆(含電池)1支,其波長為 635nm
- 4. 訊號產生器1台
- 5. 壓克力盒1個
- 6. 計算機1台
- 7. 尺與皮尺1組
- 8. 紙杯1個
- 9.白紙5張
- 10.漆包線1條
- 11.支架2 組包含菱形與三叉夾各2個
- 12. BNC 線2條
- 13. 電源線1條
- 14.塑膠培養皿2 個
- 15. 方格紙1本
- 16. 剪刀1把
- 17. 抹布1條
- 18.塑膠收納盒1個
1.現象說明
2.探究問題（此為引導，學習者必須要提出合理的假說）
- 2.1思考點波源在水中如何形成水波。
- 2.2思考毛細波與繩波的共通點。
- 2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。
- 2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。
3.實作項目
- 3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。
- 3.1.1實驗數據圖
- 3.1.2分析實驗結果
- 3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力
- 3.2.1 實驗數據圖
- 3.2.2分析實驗結果
4.分析與結論
- 4-1 能藉由觀察公式來推論並分析出相關趨勢線。
- 4-2 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。
5.教學目標與評量
- 5-1 理解並應用光學繞射光柵原理。
- 5-2 利用現有器材資源，與學習到的知識。考驗學生能否融會貫通，以及取適當物理量來實驗分析。
- 5-3 讓學生學習科學素養，即探究現象，最後精緻化結果。
6.參考資料：
7.參考說明
- 2.1思考點波源在水中如何形成水波。
- 藉由示範影片中以常見的點波源去擾動水面形成水波，再進而引導學生認識到水波的形成主要原因，主要是因為水分子彼此間之吸引力所引起的表面張力。
- 2.2思考毛細波與繩波的共通點。
- 手拉動繩子產生繩波，如同這實驗的漆包線拉動水波表面產生水波，表面張力波其實就類似水面上的漣漪，產生原因也包含表面張力，如同上下振動繩子產生繩波一般，繩波波速和繩張力、線密度相關，漣漪的波速也和表面張力、液體密度相關。
- 2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。
- 讓學生觀察水波表面的構造，先詢問出光行進的性質後再進而引導出光還有干涉和繞射之特性，最後讓學生知道雷射光會將水波作為反射式光柵然後繞射。
- 2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。
- 因為V=λf所以當波傳遞的介質都是水時波速就為定值，因此當頻率增加水波的波長就會減少，光程差為d(sinψ − sinφ) = mλ，其中ψ為入射角φ為繞射角，所以當ψ=φ會形成第零階的繞射亮紋，當ψ≠φ就會造成1、2、3…階的亮紋，所以當d變小時又因光程差必須相同 ，因此繞射亮紋間距就會增加。
- 3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。
- 3.1.1實驗數據圖
- 3.1.2分析實驗結果
- 改變不同L的值後去測量其相對應的H值，再用H-L做一回歸直線，由於第零階繞射點到水平面的夾角為tan−1(HL)=θ，所以的到θ值為0.0418(弧度)。
- 3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力
- 3.2.1 實驗數據圖
- 3.2.2分析實驗結果
- 表面張力實驗值= 0.0712 N/m，30°C 條件下理論值=0.0710 N/m，誤差0.28%
