光偏極化

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clip_image004一. 波動的形式：

  1. 橫波：振動的方向與傳播的方向互相垂直
  2. 縱波：振動的方向與傳播的方向互相平行

光為橫波，也就是說振動方向與傳播方向垂直

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clip_image004[1]二. 偏極方向：

在偏極片上能讓光通過的方向即為偏極方向

問題一：如果波行進的方向為 這個方向，那橫波的振動的方向？那縱波振動的方向？

問題二：什麼動物以橫波的方向做運動？

解答：海豚與蛇

活動一：

找四位學生示範偏極化問題

一位（男生）：海豚 一位（女生）：蛇（蛇蠍美人）

兩位（男生）：縫隙（直孔與橫孔）

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clip_image004[2]三. 偏極現象模型（以繩波為模型）：

將橡皮繩的一端固定，手拿著另一端上下抖動，於是就有橫波沿繩子傳播。在波的傳播方向中放置兩個欄杆G1,G2。如果兩者縫隙方向一致，則通過G1的振動可以無阻礙的通過G2。如果兩者縫隙的方向垂直，通過G1的振動傳到G2處就會被擋住，從此在G2之後不再有波動。很顯然，這種現象只可能在橫波的情況下發生，因為縱波的振動方向與傳播方向一致，欄杆的任何取向都不會對它有影響。

欄杆G1 偏極片P1

欄杆G2 偏極片P1

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clip_image004[3]四. 光學上實際的應用（以偏極片進行實驗）：

現在我們來看一個光學實驗。有一種叫做偏極片的東西，它表面上看起來和普通的透明薄膜沒什麼區別，可能略帶一些暗綠色或紫褐色，但他們的特殊性能將在以下的實驗中顯現出來。

實驗過程：

讓光線依次通過兩片偏極片P1和P2。P1固定不動，以光線為軸轉動P2。我們會發現，隨著P2的取向不同，透視光的強度發生變化。當P2處於某一特定位置的時候，透射光的強度最大，再由此位置轉了九十度後，透射光的強度減為零，即光線完全被P2所阻擋，這種現象叫做消光。若繼續將P2轉九十度，透射光又變為最亮，再轉九十度，又復消光，如此等等。顯然這種現象與上述繩波通過欄杆的實驗十分相似，這裡偏極片的作用相當於繩波實驗中的欄杆。如果光是橫波，則經過第一個欄杆（偏極片為P1）時，只有振動方向與此欄杆方向一致才能順利通過，也只有當第二個欄杆（偏極片P2）與第一個欄杆（偏極片為P1）的方向一致時，光才能順利通過第二個欄杆。然而偏極片引起的作用也反映了它上面一定存在了一個特殊的方向，使光波中的振動能順利通過。

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clip_image004[4]五. 偏極片之特性：

只允許方向的光波通過 兩片偏極片的偏光軸平行時，光波可以通過。垂直時，光波不能通過。

活動二：

讓學生親自操作偏極片

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clip_image004[5]六. 偏極化的例子：

(1)使用台中自然科學博物館立體電影專用眼鏡

活動三：

請學生戴上立體電影專用眼鏡，並且檢驗立體眼鏡，兩片鏡片個別的偏振方向為何？

(2)要如何看清楚在陽光照射下的水池中的魚？

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clip_image004[6]七.立體劇場放映原理：

(1) 視差 物體立體感的由來：

遊戲一：

（A）請每一個人拿出一支原子筆，先伸直手臂看原子筆，然後個別閉上左右眼來看，這兩種情形有何差異？

（B）先閉起左眼，豎起右手食指，讓食指指尖對準遠處的一個固定目標：

問題一：原來和遠處目標重疊的右手食指尖，現在是不是跟原來的目標重疊？（不是）

問題二：所以我們的兩隻眼睛所看到的影像，是不是完全一樣？

（不是）

說明：我們平時看東西，兩隻眼睛所看到物體的角度有點不一樣，稱為視差。也因為我們兩眼有視差，所以我們看東西才會有明顯的立體感及距離感。

小啟示：當同學一眼受傷時，千萬不要騎車，因為只有兩隻眼睛才能辨別遠近，一隻眼睛無法掌握距離感。

遊戲二：

現在將手伸直，一手拿筆蓋，一手拿原子筆，試試看能不能將原子筆蓋套上原子筆？很容易對不對？接下來我們再來嘗試閉上一眼，然後套套看。是不是比較困難呢？為什麼？

活動四：

此時可以進行小組比賽看看哪一組套得最準

原因：當我們用肉眼判斷物體大小和遠近時，是藉比較物體和兩眼間所張開的視差角大小來決定的。

我們所看到物體的距離與所張開的視差角成反比，因此視差角越大的物體距離我們越近，視差角越小的物體距離我們越遠。

視差角過小時，就無法分辨其距離，所以在遊戲二之中，閉上一眼後筆蓋很難套上原子筆的原因是因為瞳孔直徑太小（大約0.5cm），與物體間所形成之視差角過小而無距離感（好比如果物體距離我們很遠就會造成視差角非常小而小到無法分辨物體的遠近）。

問題三：看立體電影時，如果遮住一隻眼睛，會看到的影像是平面的？還是立體的？

問題四：看立體電影時，如果拿掉特殊眼鏡，你將看到模糊的影像，這時候銀幕上有幾組影像？

  • 一組 □兩組 □三組 □四組 □四組以上
  1. 立體劇場的放映方法：

主要是使用左右兩台放映機。左邊播放清晰的畫面，右邊則播放些許模糊的影像畫面。左邊放映機所放映出來的光通過Y軸起偏器，產生Y方向的偏極光;右邊放映機所放映出來的光通過X軸起偏器，產生X方向的偏極光。

帶在各位眼睛上的偏光眼鏡，左邊鏡片是讓Y方向偏振光通過的，因此左眼可以看到Y軸偏極光（也就是左邊放映機所放出來的光）；右邊鏡片是讓X方向偏振光通過的，因此右眼可以看到X軸偏極光（也就是右邊放映機所放出來的光）。由於此時左右眼會個別看到不同的影像，使眼睛產生視差的錯覺，讓原本平面的影像有立體的感覺。

問題五：為何左右眼產生視差就會有立體感產生？

解答：基本上人的眼睛看到的是物體的平面，但是還好人有兩隻眼睛，而且兩隻眼睛又水平分開幾公分（2.5英 吋），所以兩隻眼睛所看到的物體，角度略有所不同，也分別看到了不同的平面影像，造成小幅度的視差。兩眼的視差經過大腦處理之後，使人看到物體的影像有了遠近與立體的感覺。可是一般的照片、電影、電視，只能讓兩眼看到相同的影像，沒有視差：視差消失，人所看到的物體當然沒有明顯的距離感與立體感。一般立體 電影就是設法讓兩眼分別看到物體正確角度的平面影像，造成視差的感覺形成立體感。所以需要特殊的工具才能使兩眼分別看到不同的影像，但也需要在一定的角度範圍觀察，因為當觀察的角度不適當，或沒有特定的觀察工具，都看不到立體的效果。當左右放映機影片有視差時，我們兩隻眼睛個別看到的視角為一大一小。所以 一隻眼睛看到的影像比較近，另一隻眼睛所看到的影像就比較遠，兩者視角差越大，越感覺畫面突出於螢幕。

問題六：立體電影的影像本身是立體的對不對？

解答：立體電影的影像本身是平面的，需戴上特別的眼鏡，使兩眼分別看到具有視差的影像，才能形成立體的感覺。

(3)觀賞立體劇場之注意事項：

由於觀賞影片時左右眼所見位置不同，易有暈眩的感覺產生（就好像分別用一隻眼睛看東西，當然很容易疲勞）。因此影片長度通常為十五分鐘，太久會不舒服。

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clip_image004[7]八.要如何看清楚在陽光照射下水池裏的魚？

解答：由於反射光具有偏光性，將眼鏡對著水池，並試著旋轉，當偏光軸與反射光的偏極方向相互垂直時，水池面的反射光就消失了，此時水中的魚就看的更清楚了!

水的壓力

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clip_image005一個簡單到你會翻臉的問題

動動腦：

有一個水槽裝了兩個水龍頭：上面的水龍頭打開後可使空水槽五個小時後裝滿。而下面的水龍頭可以在上面水龍頭關起來時，在十小時內將水槽的水流光。聰明的小朋友請問兩個水龍頭同時打開時，空水槽何時裝滿呢？

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· 教師引導：

〈小學作法〉

A水龍頭每小時流入1/5的水槽水量

B水龍頭每小時流出1/10的水槽水量

過去的標準答案：每小時可流入1/10的水槽水量，所以 10小時之後裝滿水槽

教師發問：這樣解題正確嗎？讓我們來看一個實驗

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clip_image008實驗一：液體壓力的觀察

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討論：

1.越靠近底部的小孔所噴出的水柱是否噴得越快越遠？為什麼？

解答：越近底部的小孔，水柱噴得越遠，因為越近底部，其所受的壓力越大，這種壓力稱為「水壓」

2.觀察噴出水柱的速度，會不會隨著液面高度下降而有所改變？

解答：噴出水柱的速度，會隨著液面高度的下降而越來越慢

3.如果一直在玻璃筒內加水，與不在筒內加水，水柱噴出的情形是否相同呢？

解答：不同，如果一直在筒內加水，水柱噴的速度會比不加水要快

clip_image011觀念一：

1.液體壓力的來源：由於受到地球引力的作用，容器內處於下層的液體會受到上層液體重量的擠壓，因此液體內部的任一點均受到液體的壓力

2.一個任意形狀的容器內，底面積為A，裝有密度為d公克/立方公分，深度h公分的液體：

a.容器內液體的體積=A×h立方公分 質量=A×h×d公克

液體所受的重力=A×h×d 公克重

b.容器底部所受的壓力＝clip_image012公克重/平方公分

由此公式可得知：容器底部或液體內部任何一處所受的液體壓力與容器形狀﹑底面積大小都沒有關係，僅僅只和液體的深度和密度有關

3.本單元最重要的公式：

液體壓力（P）=液面下的鉛直深度（h）× 液體密度（d）

clip_image005[1]動動腦：

  1. A點與B點的壓力何者較大？

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· 解答：具液面深度A>B，故在A點的水壓要大於在B點的水壓

〈生活經驗〉

1.為何水庫或堤防的底部會比較厚？

解答：因為底部的水深度較大，則水壓力也較大。在中部德基水庫附近地層下陷，由此可知水壓力之大。

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clip_image008[1]實驗二：液體側壓力的觀察

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討論：

水柱從側面的小孔噴出時，是否沿著器壁垂直的方向？

解答：由小孔噴出的水柱與器壁垂直，此為側壓力所造成。從實驗中可觀察側面水柱噴出的情形，可看出水柱由側面小孔噴出時，與器壁垂直，而且越靠近氣體的小孔噴得越遠。

clip_image011[1]觀念二：液體中的任何一點皆會受到來自各個方向的壓力，有下壓力﹑側壓力﹑上壓力

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clip_image008[2]實驗三：連通管實驗

利用醫療器材「三通」為開關，將不同粗細，長短的針筒插在「三通」上，將「三通」打開時管內的水將會相互流通，此時觀察各個針筒內的水面高度。

連通管：幾個液體容器的底部以導管相通的裝置稱為「連通管」

原理：

1.連通管底部同一水平面的各點所受的壓力相等，液柱高度亦相等。所以在連通管的任何一個容器內注入夜體，不論管的形狀粗細如何，當液體靜止後，連通管內各容器的液面必在同一水平面上。

2.連通管中若有一管子的高度較短，液體由該管口噴出而成噴泉，則噴出的液柱，可達到其他容器內相同的液面高度

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連通管原理之應用：

  1. 自來水輸送系統，噴水池等都是利用連通管原理裝設的，自來水場的儲水池通常建在高處，所以水壓較大
  2. 工廠﹑學校及一般住家，常因樓房甚高而水壓不足，因此，為了增強水壓，必須先將水抽到屋頂水塔或另建水塔在接管流到各樓層。

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clip_image008[3]實驗四：液體內部向上壓力的測量

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目的：證實液體內部有向上的壓力，並測量其大小

步驟：

1.用手指按緊硬紙板，壓入水內，然後將手鬆開，觀察此硬紙板

2.將水沿筒壁慢慢注入玻璃筒內，注意觀察紙板及入入水的高度

討論：

1.在步驟1.中的硬紙板，是否緊貼在玻璃筒的下端？

解答：是，證實液體內部施有向上的壓力。

2.在步驟2.中筒內水面上升到什麼高度時，紙板才會開始落下來？

解答：當筒內的水面上升到與筒外的水面相等時，紙板就會落下來。顯示在液體內同一深度的位置，液體所施向下壓力與向上壓力大小相等。