用紙杯重現200年前的重大發現!在家親眼看看「光是波」的證據(楊氏實驗)

科學教練桑子研,逐工攏是實驗日!

這篇文章嘛有廣播版喔!

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「光會直直行。」無論是日頭光抑是手電筒的光,看起來確實攏是按呢。毋過,若有人問你:「光到底是粒仔,抑是波?」這个問題,其實對17世紀開始,就予牛頓佮惠更斯爭論誠久,嘛是物理學上上有名的謎題之一。

閣較驚人的來矣──若是我講,你用紙杯、刀仔,閣加一支兩千箍左右的雷射筆,就會當佇厝裡親身證明「光是波」,你敢會信?

今仔日欲介紹的,就是會當親目看著「光的干涉」的實驗。聽起來真艱深,其實細漢囡仔嘛會當做,學校上課欲予學生感受「波是啥物」,這个實驗嘛誠適合。好,咱這馬就開始!

為啥物會知影光是「波」?實驗的秘密

這个實驗上重要的所在,就是用刀仔佇紙杯割一條細細的縫。

波有一个特性:若通過狹狹的縫,伊會向四箍圍擴散開去。這種現象叫做「繞射」。若你看過海湧對防波堤的細縫湧出去,變做扇形擴散的畫面,就較好理解矣。其實,光嘛會按呢。

閣來,紙杯彼條細痕,實際上會像「兩條真倚的細縫」仝款作用。因為刀口厚度、紙邊仔粗幼攏會影響,所以通過的光會分做兩路,兩邊攏會發生繞射。

彼兩束光波若「波峰對波峰」,就會互相加強,變較光;若「波峰對波谷」,就會互相抵消,變較暗。結果,就形成咱欲觀察的「干涉條紋」。

若光只是普通的粒仔,理論上應該只有一條縫的形狀出現爾爾。如今煞出現一條一條光暗相間的紋路,這就是光有「波」性質的鐵證!

厝裡就做會成!親目看著「光的波」

【愛準備的物件】

  • 雷射筆(簡單的簡報用就會使,便宜的大約兩千箍)
  • 紙杯
  • 刀仔

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另外,若欲買雷射,建議用雷射墨斗,真好用。

【步驟】

  1. 佇紙杯底,用刀仔直直割一刀,毋免來回割。(這條縫就是「狹縫」)スクリーンショット 2015-09-28 7.49.58
  2. 房間暗暗仔了後,對紙杯內底用雷射照向彼條縫。
  3. 觀察壁頂的光紋。紙杯離壁大約50公分到1公尺,看會較清楚。

來看!你看著啥物?

你應該會發現,壁頂毋是單純一个紅點仔,反倒會看著左右擴散開的光,閣有一條一條光暗交替的紋路。

恭喜你!彼就是證明「光是波」的關鍵證據──干涉條紋!

其實,這个現象佮兩百外年前英國科學家湯瑪斯・楊做的「楊氏雙狹縫實驗」,本質上是仝款的。你這馬等於用紙杯重現歷史級的大實驗!

當年楊主張「光是波」,毋過彼時的學者攏袂當接受。因為「光竟然會像海浪按呢互相干涉」,實在是超出人的直覺。

你嘛會當試看覓:共紙杯離壁較遠,條紋的距離敢有變大?大部分的人攏會發現,條紋會愈來愈開,閣較好看。

其實,只要量條紋距離佮紙杯到壁的距離,甚至連「光的波長」攏算會出來!

【!!安全第一,這點上重要!!】

這个實驗誠趣味,毋過安全一定愛注意。雷射光真強,絕對毋通直接看雷射光,嘛毋通照別人的目睭。一定愛看反射佇壁頂的光就好。

來算看覓!光的波長到底偌長?

這个神奇的條紋,毋但看起來媠,閣藏有誠精密的資訊。

若條紋距離是1.5公分,紙杯到螢幕的距離是5.863公尺,就會當算出雷射的波長。

一般紅色雷射筆的波長,大約是600~700奈米(1奈米是100萬分之1毫米)。想袂到彼細細條紋內底,竟然藏有按呢仔精密的數據,真正有夠神奇!

另外,我嘛做了一个用 Scratch 學楊氏實驗的互動教材:

用 Scratch 來玩楊氏實驗!

影片佇遮:

最後,我嘛錄了一支影片詳細解說楊氏實驗。若想欲較深入了解,會當參考:

這擺,咱只用紙杯佮雷射筆,就成功看著光的干涉條紋。

「光同時是粒仔,嘛是波」──這種看起來像科幻電影的世界,其實佇咱身邊就體驗會著。無論是佇厝裡抑是學校,攏真推薦親身試看覓!

若佇學校,甚至會當用正式的狹縫器材,進一步計算光的波長。閣若配合聲音干涉的實驗(像兩个喇叭播放仝款聲音,某寡所在聲音較大,某寡所在較細),學生對「波」的理解會閣較深。

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