中华民国第49届中小学科学展览会作品说明书41489

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1、中華民國第49屆中小學科學展覽會作品說明書國中組物理科第二名030109光的奇「積」-探索地面海市蜃樓學校名稱：高雄市立國昌國民中學作者：指導老師：國二蔣儀宣謝宜和國二陳欣妤呂台華國二張宜渟關鍵詞：海市蜃樓、全反射、折射摘要經常會看到前方的路面像有一灘積水在那兒，但近走過去看時卻發現什麼都沒有。我們查看物理方面的教課書籍及上網搜尋資料，發現這種現象是由於地面上的空氣因溫度變化，導致光線在空氣中的行進方向偏折而產生的全反射現象，其原理與沙漠中的海市蜃樓成因是ㄧ樣的。我們發現了高中組科展的得獎作品中，居

2、然得到與上述完全不同的結論，就是：炎熱路面的一灘積水是由於地面的單向反射造成，並非為空氣的折射現象。這也就引發我們做此次科展的強烈動機。從尋找地面海市蜃樓在何處，與不斷改善觀察工具開始做起，接著再與師長同學討論，將光折射的證據從NK改變觀察者位置的高低、OK溫差的影響、PK地面性質等三方面逐步探索，並以雷射光徑說明：白天地面的海市蜃樓是光折射所造成。1光的奇「積」－探索地面海市蜃樓壹、研究動機在炎炎夏日經過一些柏油路面時，經常會看到前方的路面像有一灘積水在那兒，但走過去看時卻發現什麼都沒有。這讓我們

3、感到十分奇怪，那灘水到底是怎麼形成的？為什麼靠近就看不到了呢？我們查看一些物理方面的教課書籍及上網搜尋資料，發現這種現象是一種由於地面上的空氣因溫度變化，導致光線在空氣中的行進方向偏折而產生的全反射現象，其原理與沙漠中的海市蜃樓成因是ㄧ樣的。但在搜尋過程中，我們發現了在兩、三年前一件全國高中組科展首獎的作品ENF，居然得到完全不同的結論，就是炎熱路面的光積水區現象是由於地面的單向反射造成，並非為空氣的折射與全反射現象。他們在作品中呈現了一張利用螢光棒在夜間產生的倒影照片E圖NJNF及日間產生的倒影照

4、片E圖OJNF，我靈機一動將一面小平面鏡放在電腦螢幕前去模擬單向反射，以數位相機拍得圖NJO及圖OJO的照片。註：光積水區：是指白天時，觀察者在低姿勢且較遠處時所能看到的積水現象，但靠近時則否E圖VJNNF圖NJN得獎作品中夜間產生的倒影圖片圖NJO左圖與小平面鏡產生的像合影圖片圖OJN得獎作品中白天產生的倒影圖片圖OJO左圖與小平面鏡產生的像合影圖片2比較圖NJN及圖NJO，我們發現夜間的倒影的確如同平面鏡的成像一樣，所以夜間的倒影的確是單向反射形成的。但是白天產生的倒影與平面鏡的成像有明顯的差異

5、，傾斜的棒子在平面鏡中的像是斜的，但是白天傾斜的棒子產生的倒影幾乎是直的。這讓我們心中非常驚訝及疑惑，到底白天的光積水區及倒影現象是由於地面的單向反射造成，還是空氣的全反射現象？這也就引發我們做此次科展的強烈動機。貳、研究目的以身邊可獲得的實驗裝置，去設計實驗探討炎熱路面的光積水區現象形成的真正原因到底是空氣的全反射現象還是地面的單向反射，並同時探討影響光積水區現象的物理因素。參、研究設備與器材ㄧ、可錄式as攝影機O台E最高放大倍率各為OM及POF及數位相機ㄧ台二、支架一座三、^P紙E黃、藍、白、粉

6、紅、綠F各NR張，黑色半開壁報紙數張四、貼有彩色膠帶的標的物數個五、雷射光筆EYRãtF六、細砂ㄧ桶七、小摺車N台八、PM公分磁鐵條數支九、螢光棒N支肆、研究過程或方法一、理論探討關於光學的一些基本現象，我們將查到的資料作一簡單歸納整理，好幫助我們理解光積水區現象。=N、反射E見圖PF光直線前進，遇到障礙物返回原來介質，叫做反射。^、反射定律=ENF入射線與反射線分別位在法線的兩側，且三者共平面。圖P=EOF入射角Z反射角。_、反射的類型E見圖QF==ENF單向反射：光滑表面產生的規則反射。==EO

7、F漫反射（漫射）：粗糙不平的表面產生的不規則反射現象。圖Q3O、折射E見圖RF－光由一介質射至另一介質，由於速率不同，在兩種介質界面發生行進方向改變的現象。產生折射的主要原因是因為光在兩介質中速率不同。如圖所示，光自第一介質進入第二介質時，入射線與法線的夾角稱為入射角，折射線與法線的夾角稱為折射角。當第二介質的光速較小時，折射光會偏向法線，折射角會小於入射角。而光線射到介面時，常是部份反射，部份折射，部份吸收。圖5P、全反射光由光密介質E水F射向光疏介質E空氣F，其折射線將偏離法線，入射角愈大，折射

8、角愈大。當折射線平行界面時，折射角等於VM°，此時之入射角稱為臨界角。當入射角大於臨界角時，則光線不再折射，而依反射定律全部由界面反射回光密介質，此現象稱為全反射E如圖SF圗6全反射示意圖Q、海市蜃樓由於沙或路面的比熱較小，地面空氣溫度較高形成光疏介質，而上方空氣溫度較低形成光密介質，所以當光線由光密介質進入光疏介質時，當光線的入射角大於臨界角時，就會產生全反射現象E如圖TF，而出現海市蜃樓的倒影現象E如圖UF。4圖T圖8海市蜃樓示意圖二、實驗方法E一F、尋找並觀察光