水壺透鏡

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原始設計者:彰師大


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。


實驗材料:

  • 1.透明圓柱形水壺1個
  • 2. A4紙1張
  • 3.捲尺1個
  • 4.原子筆1支
  • 5.剪刀1支
  • 6.膠帶1捲
  • 7.直尺1把
  • 8.相機1台
  • 9.甘油1公升




1.現象說明

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。


(圖一、水壺後方的箭頭向右)

(圖二、水壺後方的箭頭向左)


2.探究問題

  • 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.實作項目

  • 3.1將紙條畫上向右的箭頭,放在裝滿水的水壺後方,調整紙條與水壺的距離,寫下你所觀察到的現象。
    • 3.1.1紀錄觀察結果。



  • 3.2根據凸透鏡成像的特性(請參考表一),利用水壺當作凸透鏡,調整紙條與水壺以及相機三者之間的距離關係,紀錄此三者的距離以及成像的結果,確認以水壺當作透鏡是否會出現放大正立虛像、放大倒立實像、大小相等的倒立實像、縮小倒立實像。
                                                           
物體位置成像位置成像結果
無窮遠F上一點,倒立實像
2F外F~2F縮小倒立實像
2F上2F上大小相等的倒立實像
F~2F2F外放大倒立實像
F上無窮遠無法成像
F內 放大正立虛像

(表一、凸透鏡成像特性)


    • 3.2.1紀錄觀察結果。



  • 3.3將紙張貼在水壺瓶身,只留一道0.5公分寬的縫隙(如圖三所示),重複3.2的實驗,找出水壺的焦距。


(圖三、貼上狹縫的水壺)


    • 3.3.1紀錄觀察結果。



    • 3.3.2找出水壺的焦距。



  • 3.4將水壺內的水換成甘油,重複3.2的實驗,確認成像結果是否有凸透鏡的特性。
    • 3.4.1紀錄觀察結果。



  • 3.5重複3.3的實驗,找出裝有甘油的水壺焦距。
    • 3.5.1紀錄觀察結果。



    • 3.5.2找出裝有甘油的水壺焦距。



  • 3.6比較在3.2~3.5的實驗中,有貼紙張遮蔽跟沒貼紙張遮蔽的差別,試探討造成像差的原因。
    • 3.6.1寫下所有可能造成像差的原因。



    • 3.6.2根據以上所有實驗,你認為利用裝滿水的水壺在陽光底下生火是可行的辦法嗎?



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藉由實驗,了解不同介質對於聚焦效果的影響。
  • 4.3探討造成像差的原因。
  • 4.4根據實驗結果,推斷電影情節的可行性。



5.教學目標與評量

  • 5.1能運用凸透鏡成像的特性,驗證水壺透鏡是否遵循凸透鏡的成像特性。
  • 5.2能了解不同介質對於聚焦效果的影響。
  • 5.3了解像差對於聚焦效果的影響。
  • 5.4探究電影情節裡物理現象的真實性。
  • 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://www.nani.com.tw/nani/jlearn/natu/ability/a1/3_a1_4_6.htm

[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%80%8F%E9%95%9C

[3] http://jiayou516.pixnet.net/blog/post/167752008-%E9%9D%A2%E9%8F%A1%E9%80%8F%E9%8F%A1%E6%88%90%E5%83%8F%E8%A8%98%E6%86%B6%E6%B3%95

[4] https://www.nani.com.tw/jlearn/natu/ability/a1/3_a1_4_7.htm

[5] https://kknews.cc/zh-tw/military/qoepa3y.html

[6] https://blog.xuite.net/yiluxing4/wretch/528591791-%E7%94%A8%E6%94%BE%E5%A4%A7%E9%8F%A1%E9%BB%9E%E7%87%83%E7%B4%99%E7%9A%84%E5%8E%9F%E5%9B%A0%E7%9A%84%E4%BB%80%E9%BA%BC

[7] http://spenceou.pixnet.net/blog/post/223132698-%E5%85%85%E6%BB%BF%E7%AB%A5%E5%B9%B4%E8%A8%98%E6%86%B6%E7%9A%84%E5%8F%96%E7%81%AB%E6%96%B9%E6%B3%95...-%E5%87%B8%E9%80%8F%E9%8F%A1%E5%8F%96%E7%81%AB...

[8] https://read01.com/zh-tw/BJzgDd.html#.XQU9zIgzbIU