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PASCO科學教室-探索光的奧秘

MAY 28 ,2020

 

 

舉凡為什麼我們可以看見物體、影子的出現、物體的呈色、彩虹的生成、四季的變化等等自然中的現象皆和光有關,結合光的物理特性,可以應用至生活中的許多設備,例如顯微鏡、望遠鏡、照相機……PASCO具有諸多的光學設備,透過這些設備可以幫助我們學習這些相關的知識,並更加提升對於科學學習的熱忱。

 

主題1-光與顏色 (適合國中)

放眼望去,我們生活中處處充滿了顏色,眼睛所看見的物體皆具有各式各樣的色彩(例如:紅色的蘋果、藍色的大海、綠色的樹葉……),然而,假如這個世界上沒有任何的燈光,也沒有太陽光,物體的顏色還會存在嗎?現在我們透過PASCO的光感應器來進行一個簡單的活動。

探究活動-色彩繽紛的世界

  

透過上述的活動,我們得知物體所呈現的顏色,是由於物體反射了各種不同比例的基本三原色光(紅光、綠光與藍光)。對於光,通常我們使用能量的方式來解釋各種不同的亮度,也就是所謂的光強度,會發光的物體皆可以散發某種強度的光,然而,隨著不同位置的影響,卻會讓我們感受到不同的光強度,究竟有哪些因素會影響到接收到的光強度呢?

探究活動-如何獲得更多的光能

影片教學-平方反比定律

  

透過上述的活動,得知距離光源的長短與角度,皆會影響接收到的光強度,這樣也解釋了為什麼地球上不同的位置會影響接受到太陽光的強度,也因此產生了四季變化

探究活動-光照與四季

Q1:根據顏色的原理,如果將一顆紅色的蘋果放置於僅有藍光照射的空間,則蘋果仍是紅色嗎?

Q2:樹葉是綠色的,代表樹葉可以在僅有綠光的環境裡行光合作用嗎?為什麼?

Q3:要如何透過與光源不同角度與光強度關係,解釋地球產生四季的原因?

Q4:我們可以看到太陽能發電廠的集光面板可能朝著某個方向,代表什麼含意?

 

主題2-光源、光譜與電磁波 (適合高1~2)

我們的生活中因為有光照,因此世界可以顯示繽紛的顏色,也因此讓地球產生晝夜與四季,人類更是運用了科技,從愛迪生發明燈泡,到現在手電筒、雷射與LED燈各種光源的出現,也點亮了寂靜的夜晚。所以,光究竟是什麼?是如何產生光的?

在西元1666年,牛頓透過了三稜鏡的色散實驗,發現了太陽光就是由七種不同的彩色光所組成,這些色光依頻率由小至大的排序為:紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,這樣依照光頻大小排列的圖案稱為「光譜」。

並非所有的光譜皆有連續性,太陽光經由色散後所產生的光譜會依照頻率大小有次序的排列,彼此之間沒有間斷,然而,許多原子內受激發所散發出來的光譜又會產生什麼不一樣的型態呢?

探究活動-未知光源的探索(光隱藏的秘密)

  

事實上我們生活中看見的光,皆是屬於「電磁波」的部份,有更多的我們肉眼看不到的電磁波環繞在生活當中,例如紫外線、紅外線、X光、微波……,每種電磁波的能量皆不相同,可以應用於我們日常生活中,例如紫外線殺菌、紅外線熱像儀偵測物質溫度、臨床中的X光影像圖、通訊設備等等,當然有些也會對人體造成病變與傷害

探究活動-防曬係數的測定

Q1:比較各種不同的光源,呈現出來的光譜是連續還是非連續的?要如何判斷?

Q2:觀察您所分析的光源,其最接近哪個原子所激發出來的光譜?要如何判斷?

 

主題3-光的基本性質(適合高2~3)

了解光強度、顏色以及光的本質屬於電磁波的概念後,接著就要針對光的特性做更進一步的探討,不難發現,所有光的傳播方式都具有「直線」的特性,也就是說在一般情況下光不會轉彎。透過PASCO基礎光學系統中的光源,可以發現無論在何種模式下都可以發現光是直線行進的,因此又可以稱為「光線」。

而當光線遇到兩種不同介質的交界面時,則可能產生「反射」與「折射」的現象,反射的光線自交界面返回原介質,遵守反射定律,而折射的光線偏折進入至另一個介質中,並遵守折射定律,又可以稱為「司乃耳定律」

物理科課程-司乃耳定律

原廠教學-司乃耳定律

結合光的上述性質,可以應用至生活中常見的面鏡與透鏡,在鏡中我們所看見的影像皆是依據光反射與折射的特性所產生的投影。真實的光線所匯聚出來的投影稱為「實像」,然而有些在鏡中看見的影像,並不是光線匯聚形成的,發散的光線在鏡中向後延長,虛擬形成的投影,又稱為「虛像」。究竟哪些原因會影響到物體所產生的影像呢?

物理科課程-球面鏡成像

原廠教學-球面鏡成像

物理科課程-薄透鏡成像

原廠教學-透鏡成像

Q1:當光線從空氣進入到透鏡中時,光線的偏折方向為何?代表的意義是什麼?

Q2:觀察凹面鏡的成像性質,在何種情況可以投影出實像?在何種情況可以投影出虛像?

Q3:觀察凸透鏡的成像性質,在何種情況可以投影出實像?在何種情況可以投影出虛像?

Q4:您所測得的凸透鏡焦距是多少?要如何求得之?

 

主題4-光的波動特性(適合高2~3)

事實上在物理學的發展中,科學家對於光屬於粒子還是波動不斷的產生爭議,透過上述的反射與折射現象,可以說明光具有粒子的特性,不過,楊格與夫朗和斐的狹縫實驗中,發現光具有干涉與繞射的性質,也因此證實光也具有波動性。

物理科課程-光的干涉與繞射

實驗影片-光的干涉與繞射