水壺透鏡
原始設計者：彰師大
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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。
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實驗材料：
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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。
(影片一、玻璃棒隱形) |
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針對2.2跟2.3的問題，分別將燒杯裝入水、酒精、甘油、矽油，此四種溶液，並分別插入一支玻璃棒，觀察玻璃棒在溶液中受折射而彎曲的程度與隱形的情形。
- 3.1.1紀錄觀察結果
| 水 | 酒精 | 甘油 | 矽油 | |
| 彎曲情形 | ||||
| 隱形情形 |
- 3.2針對2.4的問題，將甘油與水以特定比例混合，並將玻璃棒插入其中，觀察玻璃棒在溶液中受折射而彎曲的程度與隱形的情形。甘油的比例分別以20%、40%、60%、80%此四種配置比例調配。
- 3.2.1紀錄觀察結果
| 甘油比例 | 20% | 40% | 60% | 80% |
| 彎曲情形 | ||||
| 隱形情形 |
- 3.3將水裝入塑膠容器至半滿狀態，並將容器倒置於桌面上(如圖一)，並用綠光雷射由水面下方向上照射，調整入射角度至出現全反射的臨界角，並記錄此臨界角，再根據司乃耳定律(Snell’s law)推算出水的折射率。另外再取任意兩個會出現折射與反射的入射角度，並記錄數據，根據司乃耳定律(Snell’s law)推算出水的折射率。若是雷射光在溶液中的路徑不明顯，可利用廷得耳效應(Tynall effect)，在溶液中滴入10滴的奶茶使光線便於觀察。實驗請參考圖二與圖三之折射與反射示意圖。
(圖一、實驗設置)
 (圖二、折射與反射) |  (圖三、全反射) |
- 3.3.1紀錄觀察結果
| 水 | 反射角 | 折射角 |
| 任意入射角1 | ||
| 任意入射角2 | ||
| 全反射臨界角 | X |
- 3.3.2推算水的折射率n。司乃耳定律(Snell’s law):
- 3.3.2推算水的折射率n。司乃耳定律(Snell’s law):
- 3.4重複3.3的實驗，分別將酒精、甘油、矽油裝入塑膠容器至半滿狀態，並分別求出此三種溶液的折射率。
- 3.4.1紀錄觀察結果
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- 3.4.2推算酒精、甘油、矽油的折射率n。
- 3.5重複3.4的實驗，將甘油與水以特定比例混合，分別將甘油濃度20%、40%、60%、80%此四水溶液裝入塑膠容器至半滿狀態，並分別求出此四種水溶液的折射率。
- 3.5.1紀錄觀察結果
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- 3.5.2推算甘油水溶液20%、40%、60%、80%此四種混合液的折射率n。
- 3.6將水、甘油、四種甘油水溶液，共六種溶液的折射率作圖
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藉由一系列的實驗，得出量化的結果。
- 4.3探討不同濃度的水溶液對折射率的影響。
- 4.4將實驗數據整理成圖表，繪製出其現象所表現的趨勢。
5.教學目標與評量
- 5.1應用司乃耳定律(Snell’s law )和反射定律計算出所需的物理量。
- 5.2善用廷得耳效應(Tynall effect)使光線更易於觀察，並練習配置特定濃度的水溶液。
- 5.3由實際操作中進一步了解全反射的現象。
- 5.4了解混合溶液的濃度對折射率的影響與其中的關係。
- 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
[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8A%98%E5%B0%84%E7%8E%87
[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AF%E6%B6%85%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B
[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E5%85%A7%E5%8F%8D%E5%B0%84
[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BB%B7%E5%BE%97%E8%80%B3%E6%95%88%E6%87%89
