光速不變

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

1. 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。
2. 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。
3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
4. 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

1. 請同學將第一片巧克力放進微波爐中加熱60秒。
2. 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。
3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
4. 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(補影片)

對影片點擊右鍵開啟進階功能。

影片也可參考https://www.youtube.com/watch?v=IGHZGYEr4vU

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。