光碟科學DIY

出自 全民科學平台
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新竹市科學城社區大學專任講師/中華民國物理教育學會監事.謝迺岳

台灣生產的光碟片數量佔世界產量80%以上,因此容易取得廉價或廢棄的光碟片。光碟片具有國際統一規格,回收率高、取得成本低,因此可以作為物理教學與科學玩具的良好材料。一公斤的光碟片約65張,把廢棄的光碟片賣給回收商僅值5-20元/公斤,向回收商買回則須50-100元。因此把廢棄光碟片用來做玩具、擺飾、或教具等再利用,不但能減少廢棄物處理的成本,還可創造百倍以上的價值,比直接回收有意義得多!

有人把光碟粘在單車前後方,可代替警示燈;有些攤販把多片光碟吊起來,可驅趕蚊蠅;還有人把數個光碟粘起來成為鏡架或花座,十分方便與美觀。作者則用光碟配合測量學、光學、熱學與力學等主題,設計成一系列物理實驗與科學DIY活動,在中小學教學或社區親子活動中,非常受歡迎。

一、測量實驗

許多人常用光碟,卻不知道它的規格。請拿一些光碟片來觀察,判斷一般大小的光碟片的直徑、孔徑與厚度是多少;然後拿一把尺,仔細地測量,再參考文末的答案一~三。

圖一:用小燈泡(點光源)照射光碟中央時, 顯現同心圓的美麗圖案

接著請判斷一張光碟片的平均質量,以及光碟片上的螺紋間隔;答案在文末。 請在完成以上的判斷與測量後,再閱讀後續文章。

許多人並不去注意這些數值與單位,更常忽略測量方法;有疑惑時就上網找資料,事實上有些事是很容易求證的,只要有動手做的好習慣。科學講求實證,猜測常常失準,儘信書不如無書!作者在演講時,多次用以上問題讓老師或學生們猜,結果答對率很低。因此我們可以用光碟片幫助孩子們熟練基本測量方法,更能藉此培養他們良好的科學態度。

二、光學實驗

光碟片的奈米級小孔與柵距,配合紅與綠色雷射光束,可以成為繞射與干涉實驗的工具。若使用平面光源(如陽光)、線型光源(如日光燈)、與點光源(如小燈泡或LED),會產生輻射狀、水滴狀與同心圓等圖樣,可作為科學研習的主題。

如圖一,是用白光LED手電筒(點光源)垂直射向光碟片的圓心,形成漂亮的同心圓圖案。本來白光是複合光,所以各種色光射到光碟時,有些干涉的光線會射向眼睛;如果視線也垂直光碟片的圓心,則從同一視角得到的光線,具有相同的色彩,於是看起來就形成彩色圓環了。

如圖二,在日光燈的照射下,光碟顯現水滴狀的圖案(彩虹則是圓環狀)。原來日光燈是線型光源,可以類比為一整排的雷射光束以同一方向射往光碟,但是眼睛只在同一位置接收干涉光,所以看到的圖案就變成水滴狀了。至於平面光源更容易找到—拿一張光碟片背對陽光,可以看到美麗的輻射光束;或用光碟片把陽光反射到背光的牆上,效果也不錯。 

圖二:在日光燈(線光源)照射時, 光碟顯現夢幻般
顯示綠光雷射穿透兩張透明光碟時,顯現的網狀紋
左圖顯示紅光雷射照射光碟時,產生的五條干涉光束。

三、熱學實驗

用一條線即可鋸斷光碟片

我們可以用光碟討論熱膨脹、熱塑性、熱傳播等物理特性。例如:均勻加熱一張光碟時,中央的孔會變大還是會變小?如果加熱使光碟軟化,可否做成像凹面鏡的探照燈、或博君一笑的哈哈鏡呢?

有一個熱傳播的遊戲很好玩:用細繩將光碟鋸斷。用一根細繩(或三股縫衣線捲成),穿過光碟片的中央孔洞;用兩膝夾住光碟後,兩手拉繩左右移動。可以和朋友比賽,誰最先鋸斷光碟片。技巧是:拉動的幅度要大,讓繩子有時間散熱,就能以柔克剛,把光碟鋸成兩半。把兩半光碟用膠帶粘合成為一片西瓜的形狀,可以設計成心情擺飾,還可以當成桌上的防小人照背鏡喔。

四、力學實驗

光碟加一顆寶麗龍球即可作為力學平台,可作一維與二維的力矩平衡實驗。力學平台在中學是標準的實驗設備,主要是介紹力平衡(靜力平衡與力矩平衡)的觀念。但是這個儀器很重又貴,而且分組實驗時,有人袖手旁觀、有人搶著做,使實驗成效大打折扣。用光碟作實驗,可以人手一套,大家不用搶;而且可以設計成小比賽,更能刺激學習欲。

光碟平台在設定時,首先須把寶麗龍球卡緊在光碟中央,然後調整光碟片與寶麗龍球的角度,使光碟片不觸碰桌面達成平衡狀態。

一維力矩平衡:可以選用一枚硬幣放在盤緣(距離光碟中心6公分),作為基準。然後用2-4枚相同的硬幣疊放在光碟的另一側,平衡時,比較硬幣數量與距離的關係。二維力矩平衡:基準相同,但是其他的硬幣須分散放置,可以討論力矩的向量加法。

若將光碟置於盆內,光碟可被托在液面上,在光碟上置放數枚硬幣,可用於計算液體表面張力與浮力的神奇互動。

光碟片的平均質量為15.4公克,體積為12立方公分,沈在水底時,浮力也是12公克重,因此浮力是無法支撐光碟片的重量的。但是我們輕易就讓光碟片漂在水上,是什麼魔力在作用呢?

光碟片的周長(含中央的孔)約40公分,而在30-40℃的水溫時,水的表面張力約為70達因/公分,換算光碟在水面上受到的水拉力約有3公克重。看來光碟片能漂在水面上,原來有表面張力在幫忙。

這麼說來,漂在水面上的光碟似乎不夠再承載硬幣的重量囉?每枚一元硬幣約3.8公克重,你猜猜看,可以在光碟上放幾枚硬幣而不會下沈?(猜完再看以下的文章)

答案是十枚!可是水的浮力與表面張力的總合,只能支持光碟本身的重量,怎麼算都不夠支撐光碟與十枚硬幣的重量!原來,光碟漂在水面上比沈在水中所受到的浮力還大!因為光碟加硬幣而漂浮時,陷入水中的深度比光碟本身的厚度大,所以受到的浮力比想像的多。所以,阿基米德原理—物體受到的浮力等於物體排開的液體重量,在小的浮體計算上,應多一些考量。

光碟可作力學平台(二維力矩實驗),右方的硬幣距離光碟圓心恰為6公分
猜猜看,在光碟上可以放多少枚硬幣而不沈呢

五、科學玩具

可用一張光碟製成扇子、波浪鼓、多功能陀螺、日月球、風火輪與氣墊船等;或用兩片光碟製成流籠與線軸車等;三張光碟配合多多罐可製成風車;一疊光碟可以用來下棋或打樸克牌!用光碟玩科學,能使學生習於動手做、引起研習科學興趣、及培養細心、耐心等科學素養。

光碟扇子加兩顆小珠子,就變成波浪鼓了
超級簡易光碟陀螺(盤中央為寶麗龍球和竹籤)
用光碟做日月球遊戲,卻很難將竹筷刺進洞中
用竹筷、吸管與橡皮圈做軸,變身成拉線陀螺
用冰棒棍和橡皮圈綁住光碟片,用繩子拉就成為風火輪了
用氣球做的光碟噴射氣墊船,用粗吸管與粘土做軸,中央再插一支可彎吸管作噴嘴,用膠帶粘在光碟上,你也可以變成航海王
光碟DIY.jpg
塑膠牌、橡皮圈與吸管的組合,做成的光碟車超級會跑

答案

  • 答案一:測量時,先假設尺不是很標準,所以須用尺的0公分、5公分、10公分處分別作基準,量同一個直徑。測量值之外,還須有估計值,所以光碟片的直徑為12.00公分。
  • 答案二:先假設光碟中央的孔不是正圓形,所以要用尺測量孔的各個方向,把不同的直徑作平均。結果是1.50公分。
  • 答案三:先假設每張光碟的厚度不相同,所以應拿10張光碟一起量,可知光碟片的平均厚度為0.12公分。
  • 答案四:用十張光碟片一起枰的結果是,一張光碟的平均質量約15.4公克。
  • 答案五:光碟的螺紋間隔(軌距)約0.0001公分。較精確的軌距資料是,CD約1600奈米,DVD約740奈米,藍光片約340奈米。
測量光碟片直徑時, 應測量多個方向
測量光碟片厚度時, 應一次測量多片

新增光碟活動

  1. 光碟哨子—把光碟放在杯上,用吸管吹中間的洞
  2. 光碟彩虹--把光碟斜放在一盆水中,面向太陽;用白色紙盒擋住反射光。