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2015年5月3日 星期日

看不見

一、單元名稱:看不見
二、器材:偏振片、透明膠帶、塑膠器具
三、原理:
偏振光性質:
偏振光是指光波中的電磁場振動方向沿特定方向。一般光源產生的光線是沒有特殊偏振光方向的,即垂直.水平兩分量成份相等。但是當光穿過大氣層、或經由水面或玻璃反射、或利用特殊材質(雙折射.方向選擇性吸收等物質,如偏光鏡),就會造成垂直.水平偏振成份比例改變,這時候的光就叫做偏振光。
偏振光魔術:
利用偏振性質可以設計出幾項偏振光魔術。例如透明膠帶隨意黏在一起成不同層數,內部結構會因擠壓而改變,不同層數分別產生輕重不同的結構變化,偏振光透過會導致偏極轉動不等的角度,這種光透過物質其偏極因應力而轉動的現象叫做光彈。而光彈通常又和波長(顏色)相關,因此出現不同的色彩。
四、做法:
(1)分別將兩付偏光鏡左眼對左眼, 左眼對右眼, 觀看光源,描述所見。
(2)兩付偏光鏡左眼對左眼情況下,將其中一付左眼轉90度, 觀看光源,描述所見。再慢慢轉回原來角度,描述所見。
(3)剪透明膠帶5公分數段,分別重疊2帶,3帶,4帶備用.
(4)透明塑膠袋或墊板畫圖案,不同部分貼上不同厚度膠帶.
(5)貼好圖案夾在兩付偏光鏡,觀看光源,描述所見。再慢慢轉動其中一付觀看光源,描述所見。

五、想想看:
   在日常生活中常見的偏光太陽眼鏡可以消除反光眩光,是因為偏光太陽眼鏡具有將光偏極化的功能,所以取兩片將偏光太陽眼鏡做轉動時,就可以發現到「看不見」的現象了。

光之合體計

一、單元名稱:光之合體計
二、器材:LED光混合器
三、原理:
(1)紅光、藍光、綠光是三原光,三原光不同的組合會混成各種顏色的光。
(2)利用光三原光的LED做成混光器,利用白臘、矽條等半透明均勻物質可以讓混合光線均勻易見。
(3)光混合器中,調整可變電組可以個別改變三種顏色的LED的亮度
四、做法:
(1)調整可變電組,改變三種顏色的LED的亮度,使其混合成白光。
(2)調整可變電組,改變三種顏色的LED的亮度,使其混合成橘光。
(3)調整可變電組,改變三種顏色的LED的亮度,使其混合成紫光。

五、想想看:
LED如果正負極接錯時會亮嗎?由於一般常見的LED為PN接面二極體,因此LED有正負極之分,其發光原理係以外加電壓的方式,促使電子與電洞於半導中結合後,將能量以光的形式釋放,如果正負極接錯的話,LED就不會亮了。

電光一閃

一、單元名稱:電光一閃
二、器材:單芯線、紙杯、LED、電圈、膠帶、鋁箔紙、電池、電阻
三、原理:
利用鋁箔紙讓兩個電圈間形成通路,而使LED發光,把膠帶貼上鋁箔紙,當兩個電圈其中之一經過膠帶時,電路形成斷路,造成LED無法發光。利用這種現象使得LED像警車ㄧ般一亮一暗的情形
(1)光能與電能的相互轉換。
(2)LED利用半導體內部圍觀能階特殊構造,可以將電能轉成光能發出可見光。

四、做法:
電能轉成光能:將LED接上乾電池、限流電阻、以及可變電阻構成迴路,打開開關,調整可變電阻,觀察LED發光變化情形。
1先將紙杯穿洞如下圖
2再將單芯線穿過紙杯並將LED穿在1的位置。注意LED較長的一端為正極。
3將電圈當作輪子黏在紙杯上
4兩個電圈分別接上兩條單芯線,其中一條接上電池的正極,另一條接上LED的正極
5再取一條單芯線接上電池的負極,另一端接上LED的負極。
6將車子放在如左圖中的鋁箔紙上,即可使LED像警車一般一亮一暗。

五、想想看:
LED如果正負極接錯時會亮嗎?由於一般常見的LED為PN接面二極體,因此LED有正負極之分,其發光原理係以外加電壓的方式,促使電子與電洞於半導中結合後,將能量以光的形式釋放,如果正負極接錯的話,LED就不會亮了。

通訊光纖吃得多跑得快

一、單元名稱:通訊光纖吃得多跑得快
二、器材:白光LED手電筒、細塑膠光纖、壓克力長管
三、原理:
塑膠光纖成直線時可知光是直線前進,當彎曲時光線在塑膠光纖中不斷反射,末端仍有光射出,折斷時光線由斷口處射出,因此末端不再有光點
(1)根據光的折射定律,當光線由疏介質射入密介質,入射線角超過臨界角的條件下會發生全反射,光線折回原介質不會跑出來。理想情形下全反射不會有能量損耗。
(2)光纖就是利用一連串的全反射導光。即使光纖彎曲,只要滿足全反射條件,導光功能就一直保持。
(3)利用塑膠光纖內全反射性質可以讓光線隨著光纖轉彎而轉向。
(4)當彎曲角度太大時,部分光線的入射線角小於臨界角,光線會折射經由塑膠跑出空氣中造成損耗。

四、做法:
製作:將LED、電阻、電池座組成串聯電路,將塑膠光纖裁剪適當長度綑綁成ㄧ束,把塑膠光纖放在發光的LED前
光線會轉彎:
(1)用白光LED手電筒分別投射進入細塑膠光纖、壓克力長管。觀察光纖另外一端出口是否特別光亮。
(2)將細塑膠光纖、壓克力長管彎曲,重複步驟(1)。
光線被吃掉:
(3)將細塑膠光纖刻意彎成直角重複步驟(1),觀察出口光亮是否減弱。
(4)延續步驟(3),找出證據說明光線從何處溜走。

五、想想看:
雷射光在行進的路線上不易用肉眼看出,而且雷射光線非常集中不易發散,因此利用水滴噴霧可以看出雷射光是如何前進。而在此活動中藉由入射、反射以及雷射光的行進,可以體會到電影中常利用雷射光所做的防護網。

天空藍夕陽紅模擬

目的
  1. 操作天空藍夕陽紅模擬示範,將太陽下山變暗過程以投影示範呈現課堂,當成下課鐘。藉以引發同學對科學好奇心。
  2. 藉由活動了解天空藍夕陽紅的原因與光線散射的性質。

器材
投影機、神奇礦泉水、稀釋後稀鹽酸滴瓶、太陽模擬紙板、容量約50ml透明塑膠瓶(裝牙線或牙籤的瓶子)、攪拌棒(竹筷或筆即可)。
製作步驟
製備
  • 稀鹽酸滴瓶:洗廁所用稀鹽酸加5倍水稀釋後,裝入眼藥水滴瓶備用。
  • 太陽模擬紙板:鞋箱紙盒或新衣服襯托用紙板20×20公分,在正中央位置,挖一個圓洞,圓洞大小比透明塑膠瓶底部直徑略小。
  • 神奇礦泉水:350或600 ml透明礦泉水空瓶裝水半滿,加入硫代硫酸鈉十餘粒,搖動後並等其完全溶解(約10分鐘)。
演示
  • 投影機打開對焦,旁邊放同式礦泉水2或3瓶(其中一瓶是神奇礦泉水)。
  • 拿礦泉水喝一口(確定是可以喝的那一瓶)。
  • 取太陽模擬紙板放在投影機中央,透明塑膠瓶放在圓孔正上方,請學生觀看銀幕上的大太陽。
  • 用神奇礦泉水倒水入透明塑膠瓶約半滿。
  • 取稀鹽酸滴瓶滴數滴入透明塑膠瓶,用攪拌棒攪洞數下。
  • 約數分鐘後塑膠瓶散出藍光,減弱教室內背景光線,引導同學觀察藍光。
  • 接著引導同學銀幕上的大太陽,會漸漸便紅,直至顏色深到不透光。
說明及原理:
Na2S2O 3 + 2HCl→2NaCl+ S↓+H2O+SO2↑
投影機燈源射出(類)白光,光線通過燒杯時碰到硫分子造成散射,通常波長較短散射較劇烈。所以開始時只有藍光散射,在塑膠瓶四周發出藍光,而銀幕上的太陽因藍光缺席而越來越紅,最後隨硫分子數目增多並集結成大分子,連紅光也不能通過時,太陽就變黑了。
 
參考資料
” Demonstrating Color of Sky and Sunset”, E-Oing Zhu and Se-Yuen Mak, The Physics Teacher Vol 32 Oct.1994

親愛的我把你放大了

一、材料:名片透鏡一張
二、原理:利用透鏡成像的原理,當物體落在凸透鏡的焦距內時,可以產生正立放大的虛像;落在凸透鏡的焦距外時,可以產生倒立縮小的實像。
三:操作步驟:
1、手持名片透鏡看桌上的物體。
2、調整名片透鏡跟觀察物體之間的距離,可發現物體放大的程度不同。
3、手持名片透鏡並將手臂伸直,看遠方的物體。
4、調整名片透鏡跟眼睛之間的距離,可發現物體縮小的程度不同。

外太空轉頭龍

一、材料:轉頭龍一隻
二、原理:人們可以清楚辨識立體的東西是因為雙眼像差造成的,所以如果用單眼來看的物體話,會覺得所看的東西是平面的,所以在看的時候就會造成視覺上的錯覺。
三:操作步驟:
1、將轉頭龍放置在桌上。
2、站在約距離轉頭龍1~2公尺的地方,接著閉上一隻眼睛,然後盯著轉頭龍的眼睛看。
3、依然是用單眼看,然後開始左右來回走動,即可發現轉頭龍的眼睛一直盯著你看喔。
          
<怎麼都一直看著我!?>

消失杯

一、材料:杯子一個、2號夾鍊袋一個、有畫圖的小紙卡一張
 
二、原理:因為夾鍊袋中有空氣,所以水底下的圖案經由一層空氣跟一層水之後,眼睛視角於某一角度時會發生全反射,以致於我們看不到水底下的圖案。
三:操作步驟:
1、將有圖案的小紙卡放入夾鏈袋中,並封好夾鍊袋。
2、將夾鍊袋放進杯子裏面立好,有圖案那一面要面對我們。
3、在杯中裝水至一半的高度,接著調整我們看杯內小紙卡的角度,即可發現有一角度時紙卡的下半部消失了。
             
                         <
未裝水之前>                                                      <裝完水之後>

2015年5月1日 星期五

光學迷宮

一、單元名稱:光學迷宮
二、器材:平面鏡、雷射筆、保麗龍、厚紙板、膠帶、發光二極體(LED)、光敏電阻、電池、電線
三、原理:
光的反射定律:如圖
法線、入射線與反射線在同一平面,
入射角等於反射角(∠1=∠2)。
並調整平面鏡的角度,使打入的雷射光進行反射動作,經由不同的打入方向,得到不同的路線。由於雷射光具有高方向性、高相干性、高亮度、單色性,因此很適合用來當作入射光。

四、做法:
在直立黑板上,或桌面的光學平板上,將指定的光學改變位置,或改變角度,導引光線沿著指定路線走出迷宮。
1、在入口處選擇其中一條路徑。
2、開啟雷射筆,經由平面鏡的反射原理,引導光到達正確出口 

五、想想看:
雷射光在行進的路線上不易用肉眼看出,而且雷射光線非常集中不易發散,因此利用水滴噴霧可以看出雷射光是如何前進。而在此活動中藉由入射、反射以及雷射光的行進,可以體會到電影中常利用雷射光所做的防護網。
      

2015年4月30日 星期四

麥克爾遜--莫雷實驗

 邁克爾遜---莫雷實驗測到的以太漂移速度為零,這是人們沒有意料到的,對以太理論是一個沉重的打擊,被人們稱為是籠罩在19世紀物理學上空的一朵烏雲。
        邁克爾遜設計出了一種方法,用相互垂直的兩束光產生干射來比較光速的差異,實驗的精度可達億分之一,有可能檢測到以太的漂移速度。邁克爾遜擅長光學測量,1880年他在柏林大學的赫姆霍茲實驗室開始籌劃用干涉方法進行以太漂移速度的實驗。他的構思很巧妙,時間差的改變將導致干涉條紋移動個條紋。邁克爾遜根據已知數據推測干涉條紋移動0.04個,這在實驗技術上是可能觀測到的。
<初試>
        當時邁克爾遜的條件很差。他以有限的經費購買到了光學元件,支架只好利用現成的產品。所有光學元件都是用蠟封在支架上,調節非常費事。特別是支架怕震。一有震動,干涉條紋的移動會大大超過預期值。
        開始,邁克爾遜在柏林大學做實驗,因震動太大,無法進行觀測,乃改到波茨坦天文臺的地下室。實驗在1881年4月完成。可是,出乎意外的,他看到的條紋移動遠比預期值小,而且所得結果與地球運動沒有固定的相位關係。於是,邁克爾遜大膽地作出結論:"結果只能解釋為干涉條紋沒有位移。可見,靜止以太的假設是不對的。"
<再試>
        邁克爾遜和莫雷在1886年將光學儀器安裝在大石板上,石板浮在水銀槽上,可以自由地旋轉方向。光路經多次反射,延長為11米這和1881年的裝置相比,穩定性大為改善,精確度也有很大的提高。他們滿懷信心,認為這一次一定有把握測出以太漂移速度。
        然而,1887年7月,他們在美國克立夫蘭(Cleveland)州的阿德爾伯特(Adelbert)學院的主樓底層正式開始實驗,一共用了四天時間,得到的結果仍然是零。
        開爾文在1900年說這是19世紀籠罩在熱光動力理論上空的兩朵烏雲中的一朵。
<三試>
        1897年,邁克爾遜在芝加哥大學實驗大廳第三次做干涉儀實驗。他設計了一臺巨大的干涉儀,高15米,長61米,吊在實驗大廳的天花板上。為了防止空氣干擾,整個光路用鐵管密封,抽去空氣(氣壓低到百分之一大氣壓)。得到的結果又是零。


<嚴謹的作風(重覆多次的測試)>
        1904年莫雷和密勒另做了一套鋼製底座。干涉儀光路達64米,靈敏度又有所提高,做工精細,調節方便。然而,實驗結果比1887年邁克爾遜和莫雷所得更接近於零。
        邁克爾遜自己也帶領兩名助手設計了一臺特殊的干涉儀,從1926年起,先後做了三次大規模的邁克爾遜--莫雷實驗,第二次做於1927年秋,主要的改進是令光從轉盤軸的上方投射到干涉儀的光路,並隨干涉儀一起轉動。觀察者也從轉盤軸的上方經測微目鏡進行觀測,這樣就避免了光源和觀察者的可能干擾。第三次,邁克爾遜也把龐大的干涉儀系統安裝在威爾遜山上。但是,"做了數百次觀察,全部和以前的研究一樣得到的是負結果。"
        邁克爾遜當然希望親自觀測到以太漂移的正效應,但是他抱著嚴肅的科學態度從事實驗,不牽強附會,1929年鄭重宣佈沒有發現絕對速度。這件事對肯定狹義相對論的正確性是很有意義的。

塞曼效應的前因後果

<塞曼生平>
        生於荷蘭的西蘭宗納邁勒(西元1865,5,25-1943,10,9),為荷蘭物理學家。畢業於來登大學並成為該校講師。1896年在光譜學上著名的賽曼校應的發現為他帶來了許多國際榮譽。1902年與洛仁茲同得諾貝爾物理學獎。1900年擔任阿姆斯特丹大學物理學教授,1908年成為該物理研究所所長。他在振動介質中對光的傳播作了精密的實驗。並出版磁光學方面著作。包括《磁光學現象的測量》、《次原子微粒的實驗研究》、《磁光研究》..........等等。1945年卒於阿姆斯特丹。
<簡述塞曼效應> 
        光的輻射源放在均勻慈場中時,從輻射源中發出的一條光譜線常分裂成許多條。特殊情況下,譜線會產生位移而不分裂。磁場對光譜線的這種影響,稱作塞曼效應。1897年時,塞曼進一步根據圓偏振光的旋光方向,判斷產生輻射的「離子」帶的是負電。
        而洛仁茲的電子理論預測並完整地解釋了所謂『正常塞曼效應』。因此,兩人同獲1902年諾貝爾物理學獎。
<塞曼效應前後之論文或實驗>
1845年法拉第:將平面偏振光通過強磁場作用下的玻璃,發現光的偏振面發生旋轉後來進一步確定這是許多物質具有的普通性質。
1875年克爾電光效應:克爾發現玻璃片在強電場下對光有雙折射的作用。
1876年克爾磁光效應:平面偏振光垂直射在電磁鐵的磨光電極上時,反射得到的光變為橢圓偏振光。
1897年美國的邁克爾遜:用他自己發明的干涉儀觀察到光譜線在磁場中分裂為二重線。後來邁克爾遜又發明了分辨更高的階梯光柵(在1899年),獲得了更為精細的結果。
1898年英國人普列斯頓緊接著對塞曼效應做了深入的研究工作。他 發表的論文中詳細說明了各種磁致分裂圖像,並且指 出洛侖茲理論不能完全解釋塞曼效應。又進一步對一 些元素的塞曼圖像進行比較。而得出『普列斯頓定 律:同一類型的譜系,塞曼圖像具有同樣的特徵。』這條定律對光譜分析有重要意義,因為由此可以判定譜線的歸屬。
1907年德國人龍格發表論文:龍格列舉了大量數據,說明磁致分裂 之間存在某種共同的規律。
1912年帕邢-拜克效應:帕邢和拜克發現在極強磁場中,反常塞曼效應又表現為三重分裂,稱之。
1921年德國杜賓根大學教授朗德發表題為:『論反常塞曼效應』的論文,他引進一因子「g」代表原子能級在磁場作用下的能量改變比值,這一因子只與能級的量子數有關。
1925年烏倫貝克與哥德斯密特『為了解釋塞曼效應和複雜譜線』提出了電子自旋的概念。
1926年海森堡和約旦引進自旋「s」,從量子力學對反常塞曼效應作出了正確的計算。
  由此可見,反常塞曼效應的研究推動了量子理論的發展。

麥克爾遜與光速測定

(一)簡介 
        邁克爾遜(A.A.Michelson,1852-1931)是美國物理學家,他對光速的測定作出了突出的貢獻,也是第一位獲得諾貝爾獎的美國人,在實驗研究方面天賦極高,自 1878 年開始,一直在研究光速的測定,他不但是物理學家,更是舉世最傑出的量度學及太空物理學方面的精密的測量專家。

(二)一生的研究 
  1. 1878 年以十元美金製造了一只旋轉鏡,改善了傅柯(Foucault)測光速的缺點,他用比別人簡單的方法,得到比別人精確的結果,受到當時赫赫有名的美國科學家紐康姆(S.Newcomb)的賞識。
  2. 1880 年受紐康姆的幫助獲取了去歐洲學習的機會,在柏林他發明了干涉儀。
  3. 1882 年繼續測量光速得到如下公式:

                                 C=(2.99853±0.00060)×108 米/秒

    這個測量值後來被公認為國際標準延續下去用了四十餘年。
  4. 1882-1923 年他用自己的干涉儀為巴黎國際度量衡局校驗米原器,他刻製繞射光柵,發明階梯光譜儀,建立星體干涉儀等。
  5. 1923 年他已 72 歲高齡了,採用旋轉八面稜鏡切斷光路的方法測光速。
  6. 1924-1927 年先後進行 5 次實驗,分別用八面、十二面、十六面的玻璃稜鏡和八面、十二面的殷鋼稜鏡,所得結果都驚人的一致的如下公式:

                                 C=(2.99796±0.00040) ×108 米/秒
  7. 1928 年他決定在真空中進行光速測量。直到他瀕臨垂危時仍念念不忘光速最後的測定值,實在令人景仰不愧是光學大師。
(三)重要研究
  1. 發明干涉儀
  2. 邁克爾遜-莫利實驗

    目的:驗證與光波動理論有關的各種現象,利用干涉儀偵測出因地球相對於以太的運動所造成光波視速度的差異。

    結果:測出光速為一定值,表示無 "以太" 存在,與當時的看法衝突,因此放棄了這一個研究,沒想到他一生最鬱卒的實驗結果,竟是愛因斯坦的相對論的最好證據。
  3. 最大成就-測定光速
    邁克爾遜在 1925-1927 年間在相隔約 35 公里的兩座山間測光速,一對凹面鏡架設在兩山之嶺,光束從威爾遜山發出又經聖安東尼奧山區返回,這是一場規模宏偉的實驗項目,結果的可靠性關鍵在於兩個基準點之間的距離----基線是否精確,邁克爾遜請求美國海岸與大地測量局協助,這是大地測量史上從未有過的精確度,也是美國海岸與大地測量局引以為傲的一項成果。旋轉棱鏡是整個裝置的心臟,除了殷鋼稜鏡外,他還做了玻璃稜鏡,有八面,十二面及十六面體,從1924年到1927年初,先後做了五屆實驗得到如下結果:
                               光速 C=(2.99796±0.00040) ×108 米/秒
  4. 比現今光速值僅大 4000 米/秒,那個時代沒有激光源,沒有高反射鏡,沒有靈敏的光電倍增管,邁克爾遜在這個條件下,卻用純光學的方法使光速的測量水平達到非常精確的地步,這一切不得不歸功於他高明的實驗方法和精湛的工藝技巧。
(四)麥克爾遜的話
        如果一位詩人同時也是物理學家的話,他或許能向別人表達這門學科激起的樂趣,滿足以及近於崇敬的情懷,我承認這門學科的美學內容對我無論如何也不是最缺乏吸引力的,特別是在研究光的這部門中,我感受到了她的魅力。
(五)紐康姆的來信
        你用極簡單的裝置得到了如此大的偏角(偏角大,位移就大),我看是一個勝利,為此應向你衷心祝賀,據我所知,這是大西洋這邊首次做出的這一類實際實驗。

楊氏干涉

光的波動說,當時少有實驗支持,楊氏可以說是波動說的大功臣之一,他不但發現了光的干涉現象,而且替波動說注入了新血,即干涉原理重疊原理,他能夠解釋薄膜的彩色環紋。他並利用牛頓的實驗數據,來決定不同顏色光的波長。
<背景>
        托馬斯‧楊(Thomas Young 1773-1829) 是英國物理學家和醫生,從小聰慧過人,14歲即精通七種語言,博覽群書,多才多藝,17歲時就己精讀過牛頓的力學和光學著作。他才華橫溢,興趣遍及文學、科學和醫學,對彈性力學很有研究,破譯過古埃及的象形文字…。成年後他決定選取的職業是醫生,但對物理學也有很深的造詣,在學醫時,研究過眼睛的構造和其光學特性,同時還致力於改進眼科醫療器械。就是在研究眼睛如何接受不同顏色的光這一類問題時,對光的波動性有了進一步的認識,導致他對牛頓做過的光學實驗和有關學說進行深入的思考和審查。1801年托馬斯‧楊發展了惠更斯的波動理論,成功地解釋了干涉現象。

<干涉原理>
       "當同一束光的兩部分從不同的路徑,精確地或者非常接近地沿同一方向進入人眼,則在光線的路程差是某一長度的整數倍處光將最強,而在干涉區之間的中間帶則最弱,這一長度對於不同顏色的光是不同的。"
        托馬斯‧楊明確指出,要使兩部分光的作用疊加,必須是這兩部分的光發自同一光源,通過不同路線到達同一點。這正是托馬斯‧楊高人一籌的地方,許多人想用實驗演示光的干涉現象,但是他們用的是兩個不同光源,這樣的光疊加在一起,由於光源的獨立性不滿足相干條件,不曾產生干涉,所以他們都失敗了。

<楊氏雙縫干涉實驗>
        在1807年托馬斯‧楊的論文中描述了他的雙縫實驗,他寫道:"使一束單色光照射一塊屏,屏上面開有兩個小洞或狹縫,可認為這兩部洞或縫就是光的發散中心,光通過他們向各個方向衍射。在這種情況下,當新形成的兩束光射到一個放置在它們前進方向上的屏上時,就會形成寬度近於相等的若干條暗帶。……圖形的中心則總是亮的。
        托馬斯‧楊還從測量到的干涉條紋間距,計算出了不同顏色光的波長:
紅光:7×10-7米;紫光:4.2×10-7米,平均約為5.6×10-7米。
        這些結果與近代的精確值近似相等。
        雙縫干涉實驗為托馬斯‧楊的波動學說,提供了確鑿的証據,使牛頓的微粒說遇到了嚴重的挑戰。托馬斯‧楊在他的論文中寫道:"儘管我仰慕牛頓的大名,但我並不因此非得認為他是百無一失的。我……遺憾地看到他也會弄錯,而他的權威也許有時甚至阻礙了科學的進步。"
        果然,托馬斯‧楊由於提出干涉原理而受到當時一些權威學者的圍攻,其中一位以牛頓學術權威自居的布勞安(Henry Brougham)攻擊得最為刻薄,說托馬斯‧楊的文章"沒有任何價值","稱不上是實驗",干涉原理是"荒唐"和"不合邏輯"的等等。一二十年間,竟沒有人理解托馬斯‧楊的工作。據說,托馬斯‧楊為回駁布勞安專門撰寫的論文竟無處發表,只好印成小冊子,小冊子出版後,"只賣出一本"。

<薄膜干涉>
        考慮一光源所發出的光線A,經一透明薄板(或薄膜)後,即會產生連續的反射及透射光,如下圖所示。
        圖中示出二組平行光,一為多次反射所引起的光線1,2,3,…,另一則為多條透射光線a,b,c,…所組成。在這兩組中,每一組中的光線,強度依次遞減。且因各條光線所經的光程長度不同,產生光程差,引起了相角差,因此而發生干涉。

<牛頓環干涉>
        牛頓做了一個實驗,用一長焦距的透鏡及一玻璃薄片組成,使一平行光經透鏡再射向玻璃片,然後由玻璃片,經空氣層再射回至透鏡,如下頁圖所示。這種裝置,實際上為一種斜角薄膜(此時的薄膜即為玻璃片與透鏡間的空氣)的干涉情形。
牛頓環牛頓環干涉條紋

.<楊氏在科學上的貢獻>
  • 雙縫實驗確証光的干涉原理( 1801 ),復興惠更斯(Christian Huygens) 的光波動學說。
  • 最早描述和測量像散性(1801)。
  • 提出色視覺理論,該理論為亥姆霍玆(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz)發展成著名的楊氏-亥姆霍玆理論。
  • 對彈性﹝楊氏彈性係數﹞、血流動力學、毛細作用和潮汐等理論均有重要貢獻。
 

牛頓的光學實驗

<背景>:       
        十七世紀正當望遠鏡和顯微鏡問世,伽利略用望遠鏡觀察實際天體,胡克用顯微鏡觀察微小物體。然而,當放大倍數增大時,這些儀器都會出現像差和色差。人們不了解,為什麼在圖像的邊緣總會出現顏色?這和彩虹有沒有共同之處?這類現象有什麼規律性?怎麼消除這一現象?
<西奧多里克(Theodoric)的實驗>
        西奧多里克曾在實驗中模仿天上的彩虹,他利用陽光照射裝滿水的大玻璃球殼,觀察到和空中一樣的彩虹,以此說明彩虹是由於空氣中水珠反射和折射陽光造成的現象。他認為各種顏色的產生,是由於光受到不同阻滯所引起。光有四種顏色:紅、黃、綠、藍。從表面區域折射回來的是紅色或黃色,從深部折射回來的是綠色或藍色。雨後天空充滿水珠,陽光進入水珠再折射回來,形成彩虹。
<笛卡兒的實驗>
        笛卡兒在他的<方法論>(1637年)中有篇附錄,專門討論彩虹,並且介紹自己做過的稜鏡實驗。他用三稜鏡將陽光投射在屏上,發現彩色的產生並不是由於進入介質深淺的不同所造成的。因為不論光照射在稜鏡的那一部位,折射後屏上的圖像都是一樣的。遺憾的是,由於笛卡兒的屏距離稜鏡只有幾釐米,他沒有觀察色散後的整個光譜,只注意到光帶的兩側分布呈藍色和紅色。
<馬爾西的實驗>
        1648年,布拉格的馬爾西用三稜鏡演示色散成功,不過,他的解釋仍有錯誤。他認為紅色是濃縮的光,藍色是稀釋了的光,之所以出現五顏六色,是由於光受到不同物質的作用。
<胡克和波義耳的分光實驗>
        胡克用了一個充滿水的燒瓶代替稜鏡,接收屏離開折射位置大約60公分。胡克曾描述肥皂泡的顏色變化,認為不同的顏色是光脈衝對視網膜留下的不同印象,紅色和藍色是原色,其他顏色都是由這兩種顏色合成和沖淡而成。
        波義耳則把稜鏡散射的光投射到1米高的天花板上。他認為光是由許多小粒子向人的視網膜上撞,撞的速度不同,看到的顏色也就不同。

<牛頓的實驗動機>
        牛頓有一位數學教授名叫巴羅(I.Barrow,1630-1677),對光學很有研究。牛頓聽過他講光學,還幫他編過<光學講義>,牛頓本身很喜歡做光學實驗。牛頓曾親自動手磨製透鏡,想做出沒有色差的顯微鏡和望遠鏡。此願望激勵他對光和顏色的本性進行深入的探討。
        牛頓從笛卡兒等人的著作中得到啟示,注意到這些說法的合理成份,同時也提出許多疑問。由於不滿意前人(包括他的老師)對光現象的解釋,就自己動手做起一系列光學實驗。
<牛頓的色散實驗(一)>
        牛頓注意到不同顏色的光具有不同的折射能力,只有拉長距離才能解開不同折射角的光線。他將屏和折射位置的距離擴展至6-7米,讓陽光從室外經洞口進入室內,經三稜鏡後直接投射到對面的牆上。如此,他就得到完全展開的光譜,有別於前面實驗者(笛卡兒、胡克和波義耳)只看到兩側帶顏色的光斑。
<牛頓的色散實驗(二)>
        為了證明紅色和藍色的光確有不同的折射能力,牛頓在一張黑色紙上畫一條線opq,一半op為深藍色,一半pq為深紅色,經稜鏡觀看,只見這根線好像折斷似的,深藍色部分比深紅色部分更靠近稜鏡,可見藍色光比紅色光受到更大的折射。
<牛頓的色散實驗(三)>
        為了證明色散現象不是由於稜鏡和陽光的相互作用,而是由於顏色具有不同的折射性能,牛頓在實驗中加入凸透鏡和兩個稜鏡,三個稜鏡完全相似。牛頓想,如果顏色的分散是由於稜鏡的不平或其他偶然的不規則性,則第二個稜鏡和第三個稜鏡會增此一分散性。
        實驗結果發現,由第一個稜鏡分散的顏色,經凸透鏡和第二個稜鏡後又還原成白光,形狀和原來一樣。再經過第三個稜鏡,又分解成各種顏色。由此證明,稜鏡的作用是使白光分解為不同成分,又可使不同成分的光合成為白光。
<牛頓的色散實驗(四)>
        牛頓的科學結論(光的粒子說)和當時流傳的觀念(光的波動說)格格不入,為了證明白光確實是由折射性能不同的光組成,他做了一個"判決性實驗"。他利用兩個稜鏡和兩個開了孔的木板,當太陽產生的平行光射入時,手持第一個稜鏡,緩緩旋轉其軸,使各種顏色的光分別穿過第一個小孔,射入第二個小孔,經由第二個小孔後面的第二個稜鏡,使兩板間的光再折射一次到達牆壁。
        實驗結果發現,被第一個稜鏡折射最厲害的紫光,經第二個稜鏡後偏折的也最多。
<色散實驗的重要意義>
  1. 證明了白光是由各種顏色的光按一定比例混合組成的,不同顏色的光具有不同的折射能力,正確解釋了彩虹形成和透鏡色差。
  2. 對光的粒子說提供有力的證據。
  3. 使顏色理論有了基礎,奠定了光譜學的發展。
  4. 牛頓強調"不做虛假的假設(hypotheses non fingo)",用歸納法從實驗和觀察中得到普遍結論,為後人樹立了光輝的榜樣。

光譜學簡史~量子力學

<量子力學>
 1884 Balmer series(中學數學教師)→1890 Rydberg→
1908 Ritz→1913 Bohr→1923 Schroding
  • 由氫光譜找答案(最簡單的原子)
  • 自1884→1913   共33年    物理新觀念成熟需時間
  • 力學、駐波    舊有熟悉知識與經驗的束縛
  • 其他領域的平行進展,與相互佐證(原子散射、黑體幅射、光電效應…)
  • Balmer series(中學數學教師)    無(舊識)污染

光譜學簡史~巴耳末公式的發現

 19世紀當時的物理學家往往習慣於用力學系統來處理問題,擺脫不了傳統觀念的束縛,也許正是這個原因,在光譜規律的研究上,首先打開突破口的不是物理學家, 而是瑞士的一位中學數學教師巴耳末(Johann Jakob Balmer 1825-1898),他受到巴塞爾大學一位對光譜很有研究的物理教授哈根拜希(E. Hagenbach)的鼓勵,試圖尋找氫光譜的規律。巴耳末在巴塞爾大學兼課,巴耳末擅長投影幾何,寫過這方面的教科書,對建築結構,透視圖形,幾何素描有濃厚興趣,他在這方面的特長使他有可能取得物理學家沒有想到的結果。
        1884年6月25日巴耳末在瑞士的巴塞爾市向全國科學協會報告了自己的發現,氫光譜公式:λ  = bm2 /(m2 -n2),其中λ是氫光譜的波長,b是一共同因子,等於3645.6×10-7 ㎜, m,n為正整數。
        巴耳末在論文中沒有具體介紹是怎樣找到這個基本因子的,巴耳末公式打開了光譜奧秘的大門,找到了譯解原子"密碼"的依據,此後光譜規律陸續總結出來,原子光譜逐漸形成了一門系統的科學。

光譜學簡史~<精確的光譜學測量與氫光譜>

<精確的光譜學測量與氫光譜>
西元1868年埃格斯特朗(Anders Jonas Angstrom,1814-1874)發表"標準太陽光譜"圖表,記有上千條夫琅和費線的波長,以10-8厘米為單位,精確到六位數字,為光譜工作者提供了極有用的資料
  埃格斯特朗是瑞典阿普沙拉市的大學物理教授,作過天文觀測站工作,從事光譜學的工作多年,對光譜的性質,合金光譜,太陽光譜以及吸收光譜和發射光譜間的關係作過一系列研究,特別是對光譜波長的精確測量,進行過大量的艱苦工作,為了紀念他的功績,10-8厘米就命名為埃格斯特朗單位(簡寫為Å)。埃格斯特朗的光譜數據用作國際標準達十幾年,後來發現阿普沙拉市的標準米尺與巴黎的米尺原器相比,不是999.81毫米,而是999.94毫米,致使埃格斯特朗的光譜數據有系統誤差,1887-1893年後,被羅蘭的數據所代替。
1848-1901年羅蘭(Henry Augustus Rowland 美國約翰‧霍普金斯大學教授)設計製成了高分辨率的平面光柵和凹面光柵,獲得的太陽光譜極為精細。
 埃格斯特朗從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線,Hα線,並證明它就是夫朗和費從太陽光譜發現的C線
        氫光譜的獲得也要歸功於埃格斯特朗,他首先從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線,並證明它就是夫朗和費發現的太陽光譜C線,後來又發現另外幾根可見光區域內的氫譜,並精確地測量了它們的波長。
1800年胡金斯 (William Huggins,1824-1910) 和沃格爾(Hermann Carl Vogel,1841-1907)成功地拍攝了恆星的光譜,發現這幾根氫光譜還可擴展到紫外區,組成一光譜。這個光譜具有鮮明的階梯形,一根接著一根,非常有規律。可是即使這樣明顯的排列,人們也無法解釋。
力學系統(振動、諧音)→光譜規律與成因
        19世紀80年代初,光譜學已經取得很大發展,累積了大量數據資料,擺在物理學家面前的任務,是整理這些浩繁雜亂的資料,找出其中的規律,並對光譜的成因,即光譜與物質的關係作出理論解釋。法國的M. 馬斯卡特、波依斯邦德朗都發表過光譜的規律與成因,用熟悉的力學系統說明光的發射,將光譜線類比於聲學的諧音。英國的Stroney (1826-1911)竟從三條可見光區的H譜線為20:27:32之比,根據基音諧音的關係,猜測基音波長為13127714Å。

光譜學簡史~<早期的光譜學研究>

<早期的光譜學研究>
太陽光譜→火焰光譜→化學成分 稜鏡→狹縫→光柵
     牛頓的色散實驗可以說是光譜學的開始,不過牛頓並沒有觀察到光譜譜線,因為他當時不是用狹縫,而是用圓孔作光闌,據說當時他也曾想到用狹縫,但他委託助手來做這部份實驗,而助手不瞭解他的意圖,因而失去了發現的機會,以後一百多年這方面並沒有重大進展。
西元1666年牛頓三稜鏡色散實驗
西元1748年英國的梅耳維爾(Thomas Melvill)用稜鏡觀察多種材料的火焰光譜,包括鈉的黃線
西元1800年赫謝爾(William Herschel)發現了太陽光譜紅光外呈現熱效應(紅外線)
西元1801年里特(Ritter)發現了紫外線(氯化銀變黑)
西元1802年沃拉斯頓(Wollaston)觀察到太陽光譜的不連續性。看到多條黑線,誤以為顏色的分界
西元1803年托馬斯 楊(Thomas Young)進行光的干涉實驗測波長,第一次提供了測定波長的方法
西元1814年德國物理學家夫琅和費(J.V.Fraunhofer)發明光柵測得D線波長。當時的光柵為:銀絲纏在兩根螺桿,及用今金鋼石刻紋機在玻璃上刻痕,作成透射光柵。用望眼鏡細心觀察太陽光譜,將其中八根顯要的黑線標以A至H等字母(人稱夫琅和費線),為光譜精確測量提供了基礎。
有了光柵,就能精確測量光譜,所以此後的光譜學科學家就熱絡地,在研究光源化學成分與激發方式之密切關係。
西元1848年J. L. Foucault發現Na既能放射也能吸收D線。
西元1859年基爾霍夫(G.R.Kirchhoff) 和本生(R.W.Bunsen) 研究各種火焰及火花光譜,發現了銫(1860)銣(1861)基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)對光的吸收和發射作了深入研究,建立了定量的基本定律,即:在同溫度下,所有物體對同一波長的光線,其發射本領和吸收本領之比是一常數,這個定律稱為基爾霍夫定律,接著他和本生研究鹼金屬的光譜時,發現了銫和銣
西元1861年克魯克斯用光譜方法檢查物料,發現了鉈
西元1863年里奇發現銦
西元1875年波依斯邦德明發現了鎵元素
光譜學用以分析鑑定化學成分,但缺乏精確波長標準可供比較。

光學簡史

  1. 光理論的歷史
    光現象在最早期就給人類知覺上深刻的印象:日夜的交替, 光與溫度的聯想, 四季的循環等。畢達哥拉斯認為視覺射線從眼睛投射出來,落在物體上而感知它們的形狀和顏色。
  2. 折射定律的建立
    十一世紀阿勒‧哈增發現入射線、反射線和法線在同一平面,而1621年荷蘭的斯涅耳從實驗獲得折射定律正確的關係公式,1661年費馬原理從理論上推導出折射定律。反射定律與折射定律建立後,光學才真正形成一門學科。這兩個定律奠定了幾何光學的基礎,十七世紀望遠鏡和顯微鏡的應用更促進了幾何光學的發展。
  3. 牛頓的顏色理論
    後來光學發展,最重要的或許就是牛頓的顏色理論。用裬鏡將一小束太陽光譜投射在螢幕上,他證明光是一種看似簡單的高度複合體。牛頓用裬鏡來分離光束,不同顏色的射線用不同的角度折射。
  4. 牛頓的光粒子理論
    牛頓引導出光粒子理論,主張光是由微小粒子組成,而以很大的速度運動,理由是因為光的顏色及直線傳播。由於牛頓卓越的貢獻,在另一個角度上,他的光粒子理論反而阻礙光學一百餘年的發展,一直到1802楊氏雙狹縫干涉實驗結果與定量波動理論分析,才讓人開始察覺光粒子理論之不足,再經過Fresnel繞射分析的革命,光學回到路上持續蓬勃發展。
  5. 惠更斯的光波理論
    惠更斯與牛頓同時期,提出波動理論,主張光是穿越介質的波動,同樣成功地解釋反射定律與折射定律,其對光學的偉大貢獻是波前的觀念。雖然十七世紀科學家已經看到一些奇怪的干涉和繞射現象,一方面由於惠更斯的波動說當時並不是成熟的理論,另一方面牛頓的強勢光粒子理論影響下,惠更斯的波動說並沒涉及干涉與繞射,波動理論在光學上的立足,一直等到1802楊氏雙狹縫干涉實驗。
  6. 楊氏干涉
    楊氏首先發表一連串波動理論論文(1802-1804)。並應用到薄膜,提出從兩個平面反射出干涉的結果,實驗中暗條紋所在之處,其光程差為半個波長的奇數倍,這個模型,須用干涉的觀念才能圓滿解釋。楊氏雙狹縫干涉實驗是光學發展上相當重要的路碑。等到1864年馬克士威方程式完成電磁學古典理論,推斷電磁波的存在,預測光是電磁波的一種,不但再度強力證實光的波動性質,而且順利平滑地將電磁學與光學統一。
  7. 以太的死亡
    1887年美國物理學家邁克生(A.Michelson)和莫利(E.Morley)完成一個探測在地球以太中運動的實驗。結果顯示以太不存在。二十世紀初,邁克生和莫利的實驗對愛因斯坦的相對論很有貢獻。相對論假設質量與能量的對等性,對粒子與波動的融合很有貢獻,即所有物質具有粒子與波動的雙重性。這是二十世紀物理學的基本主義。證明邁克生和莫利的實驗的同時,引起其它的現象,更加支持光學理論。
  8. 光速的測量
    " 光快到何種程度?" 是長久以來人類對大自然的好奇心之一,光速是統一電磁學與光學的關鍵證據,而所有慣性座標會看到相同的光速是二十世紀近代物理中之相對論的起點。
    A.天文方法
    丹麥天文學家羅默(Romer)觀察木星的衛星蝕的週期, 前後落後22分鐘, 認為光須22分鐘穿越地球軌道, 羅默即利用地球軌道的直徑來計算光速
    B.實驗室測量
    ‧1849年, 斐索(A.Fizeau)測量到光走距8.63公里處的鏡子再折回所須的時間, 利用720齒的齒輪, 轉速達200轉/秒時, 斐索算得光速為315,300公里/秒
    ‧1850年, 佛科(J.L.Foucault)以旋轉鏡片來測量到光速, 算出光速為298,000公里/秒, 只比現在已知值小百分之一. 且如波動理論所言, 佛科發現光在水中走得較空氣中慢

光學發展大事紀

  1. 公元前5世紀墨翟(墨經:春秋戰國時代)在墨經記載並論述小孔成像、光色與溫度的關係
    公元前3世紀歐幾里得(Euclid)論述光的直線傳播和反射定律
    公元前2世紀劉安(淮南子:西漢)冰透鏡、反射式潛望鏡
  2. 2世紀托勒密(Ptolemaneus)發現大氣折射
    2世紀張衡(:東漢)製渾天儀
    2世紀王符(潛夫論:東漢)分析人眼作用
    11世紀沈括(夢溪筆談:北宋)凹面鏡成像原理
    13世紀趙友欽(革象新書:元)光學實驗、光的直線傳播、小孔成像、光的照度、視角等問題
  3. 1609年伽利略初次測光速未成功
    1619年科普勒行星運轉三大定律
    1620年斯涅耳(Snell)實驗歸納出來反射定律及折射定律
    1658年費馬(Fermat)費馬最短光程原理
    1660年Grimaldi發現繞射
    1666年牛頓三稜鏡色散實驗
    1669年Bartholinus發現方解石有雙折射現象
    1675年牛頓環實驗(仍用微粒說解釋)
    1676年Roemer利用木星衛星蝕測光速(第一次成功)
    1690年惠更斯提出波動學說(沒用來解釋干涉)
  4. 1800年Herschel發現紅外線(研究太陽光譜)
    1801年Ritter發現紫外線(研究太陽光譜)
    1801年楊氏干涉實驗、與干涉原理
    1808年Malus發現光的偏極
    1811年Brewster 角
    1815年Franhofer 暗線(研究太陽光譜)
    1815年Fresnel 以楊氏干涉實驗補充惠更斯波動學說
    1821年Fresnel 光的橫坡理論
    1821年Franhofer 發明光柵
    1821年Franhofer 發明光柵
    1841年高斯(Gauss) 幾何光學理論
    1842年Doppler效應(聲學)
    1842年Farrady磁光效應(偏極受磁場影響而偏轉)
    1849年Fizeau首次地面上測光速
    1864年馬克士威完成電磁學古典理論(馬克士威方程式),推斷電磁波的存在,預測光是電磁波的一種
    1881年Michlson干涉儀
    1875年Kerr電光效應(效應)(偏極受電場影響而偏轉)
    1887年Hertz實驗證實電磁波的存在
  5. 1900年Planck 電磁波量子
    1905年Einstein 光電效應理論證明光子存在
    1913年Bohr 舊量子論:物質發光機制
    1924年de Broglie提出物質波粒雙重性
    1925年Scherodinger等完成量子力學
    1954年Townes發明 Maser
    1960年Maiman發明 Laser