隱形玻璃

原始設計者：彰師大

將玻璃浸入某未知溶液中，泡在溶液部份的玻璃彷彿隱形一樣，消失在溶液中。試探討此現象成因。	實驗材料： 1.透明圓柱形塑膠桶(須有蓋子)1個 2.綠光雷色筆1支 3.量角器1個 4.玻璃燒杯200ml 5個 5.玻璃棒5支 6.油性細簽字筆1支 7.95%酒精1公升 8.矽油1公升 9.甘油1公升 10.水1公升 11.奶茶1杯

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1.現象提示與參考：

如影片一所示，將玻璃浸入某未知溶液中，泡在溶液部份的玻璃彷彿隱形一樣，消失在溶液中。影片右方燒杯內容物為水，左方燒杯內容物為某未知溶液。試探討此現象成因。

(影片二、羽毛球飛行)

2.初探與假說：

• 2.1思考玻璃棒插入溶液中為何會隱形?
• 2.2若將玻璃棒插入水中會觀察到何種現象?
• 2.3若是分別將玻璃棒插入酒精、甘油、矽油……等，又分別會觀察到何種現象?
• 2.4若是將甘油與水以特定比例混合，再將玻璃棒插入此混合液中，會觀察到何種現象?

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。
  • 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):

• 3.4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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

酒精	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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

甘油	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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

矽油	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

• • 3.4.2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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

甘油濃度20%	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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

甘油濃度40%	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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

甘油濃度60%	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

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

甘油濃度80%	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

• • 3.5.2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

(圖二、3.2實驗示意圖)

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