動手學科學/物質科學I/光與熱

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關於光

原始設計者:張又懿

先備知識

流體中的密度

D = M / V(密度=質量/體積) 物質每單位體積內所含有的質量,稱為該物質的密度。 流體密度的計算方法與固體密度的計算方法是一樣的,但流體的密度比固體好改變,在水裡面加一把鹽,攪拌攪拌就能改變了。也有一些物理只能在流體裡討論,比如浮力等等......

密度如何影響折射率?

密度用生活化的例子來解釋。想像兩個月台,一個月台人來人往與另一個月台杳無人煙,把自己想像成一道光,穿過杳無人煙月台一定比較容易,相對的穿過人來人往月台就難多了。 可以用這個道理去想像光在介質當中的運行。

Snell's Law

原理

光線在通過不同密度的介質時,例如在通過空氣和水的界面時,光線的角度會發生一定的偏轉,叫做光線的折射。糖在魚缸裡會慢慢溶解,由於沒有攪拌,魚缸上部的水里溶解了更少的糖,下部的水里溶解了更多的糖。從上部到下部,水中的糖是逐漸增加的,也就是說,糖水的濃度是逐漸增加的。這個小實驗利用不同密度的糖水對光線的折射作用,讓激光發生彎曲。由於糖水的密度是逐漸發生變化的,激光光線在經過不同密度的糖水的時候,連續發生折射,看起來就是“光線慢慢彎曲”了。

液體折射率與溫度之關係

一般情況下,液體折射率與溫度成反比, 溫度越高分子越活躍 ,分子密度越小,折射率越小。 折射率,光在真空中的傳播速度與光在該介質中的傳播速度之比率。材料的折射率越高,使入射光發生折射的能力越強。

影響液體折射率之因素

兩種介質進行比較時,折射率較大的稱光密介質,折射率較小的稱光疏介質。 折射率與介質的電磁性質密切相關。根據電磁理論,εr和μr分別為介質的相對電容率和相對磁導率。折射率還與波長有關,稱色散現象。

影片

探究問題

  1. 密度影響折射率的規則是什麼?
  2. 如果一盆流體當中的密度不平均,該如何計算流體折射率?
  3. 水流的速度如何影響折射率?
  4. 在流體中折射的光線,是否可以被改變?

關於熱

介紹

史特林發動機(Stirling Engine)又名熱空氣引擎,一種閉循環活塞式熱機。閉循環的意思是膨脹和壓縮介質一直保存在氣缸內,而開循環,如內燃機需要與大氣交換氣體。史特林發動機一般被歸為外燃機。

先備知識

熱的本質

  • 分子會追求亂度
  • 熱來自能量
  • 「熱」這個現象,來自於分子震動這個物理行為所產生。

當一股能量注入一個物質,這個物質中的每個分子平均受到的能量升高,於是分子開始「躁動」,開始震動之後這個流體或物體,就會形成所謂的「變熱」

溫度如何影響氣體體積

理想氣體方程式

原理

運作流程圖

補充資料

波以爾定律

波以耳-馬略特定律(英語:Boyle's law,也稱作Boyle–Mariotte law或Mariotte's law),在定量定溫下,理想氣體的體積與壓力成反比。是由愛爾蘭化學家羅伯特·波以耳,在1662年根據實驗結果提出:「在密閉容器中的定量氣體,在恆溫下,氣體的壓力和體積成反比關係。」稱之為波以耳定律:此定律實驗結果首先由Henry Power[1]所發現。這是人類歷史上第一個被發現的「定律」。馬略特在1676年發表在《氣體的本性》論文中:一定質量的氣體在溫度不變時其體積和壓力成反比。波以耳和馬略特這兩人是各自分別獨立確立定律的,因此在英語國家,這一定律被稱為波以耳定律,而在歐洲大陸則被稱為馬略特定律。


  • V 表示氣體的體積
  • p 表示壓力
  • k 為一正常數

火力發電廠

和大部分的發電場一樣,火力發電廠是透過旋轉發電機來產生電。



探究問題

1.請舉出可能造成史特林引擎實驗失敗的原因

  1. 軸線不直,使得活塞上下時容易卡住。
  2. 冷熱溫差不夠大
  3. 活塞會導熱,造成上下兩邊的溫度變得一樣。

2.請問活塞為什麼會被推起來?

因為氣體膨脹,將活塞給推了起來。


探究問題

1.請問光是一種什麼?

光既是一種高頻的電磁波,是一種能量,又是一種由稱為光子的基本粒子組成的粒子流。因此光同時具有粒子性與波動性,或者說光具有「波粒二象性」。

3.請問熱這個現象從何而來?

熱這個現象,來自於物體內部的分子振動

4.當溫度升高之後氣體會怎麼樣呢?

氣體將會膨脹。

6.光與熱有什麼共同的特性?

都是一種能量,能夠激發別的物質。