第四十三屆中小學科學展會作品說明書科別物理科組別高中組.docVIP

第四十三屆中小學科學展會 作品說明書 科 別：物理科 組 別：高中組 作品名稱：利用雷射光碟片進行繞射光譜的現象分析與討論 關 鍵 詞：雷射光碟片、繞射、光柵 編號： 壹、摘要 雷射光碟片已經是當今社會文明不可或缺的資料記錄媒體之一，重要性不亞於過去紙張的發明。因此，本實驗主要的內容，在於探討雷射光碟片主要結構－資料紀錄層的軌距。 實驗的流程大致如下： 利用光柵計算出氦氖雷射的波長。 觀察僅有基板與紀錄層之雷射光碟片的繞射情形，並計算出紀錄層的軌距。 觀察鹵素燈光源通過雷射光碟片的繞射情形。 貳、研究動機 光的存在，是影響人類生命與文明發展的重要因素。而色散現象－如彩虹（圖一），總是能在短暫的時間裡吸引住許多人們的目光。在明白光是電磁波的一種後，光的研究往往是了解物質本質的方法之一，而光譜分析便是當前的一種重要的物質分析法。 圖一、 彩虹的色散現象 在學習三稜鏡的色散後（圖二），我們發現常用的雷射光碟片在光線的照射下，也會出現有如三稜鏡的色散現象，並且更為明顯。因此，我們開始尋找除了三稜鏡以外的色散現象，而光柵的繞射現象正符合雷射光碟片的色散行為，並且也知道光柵是比三稜鏡更有效且廉價的分光工具。 圖二、 三稜鏡的色散現象 參、研究目的 本實驗的主要目的如下： 觀察僅有基板與紀錄層之雷射光碟片的繞射情形。 計算出雷射光碟片紀錄層的軌距。 肆、研究設備及器材 名 稱 規 格 數 量 名 稱 規 格 數 量 氦氖雷射 2mW、632.8nm 1 鹵素燈 1 布尺 1500 mm 2 長尾夾 大 2 光柵(1) 300 lines/mm 1 單狹縫(1) 0.10 mm 1 光柵(2) 80 lines/mm 1 單狹縫(2) 0.15 mm 1 雷射光碟片 80 min/700 MB 1 三稜鏡 1 黑色書面紙 全開 1 照相機鏡頭 f=80mm F2.8 1 伍、研究過程 一、觀察稜鏡式光譜儀的色散現象 （一）、首先我們參考徐氏基金會出版的科學圖書大庫－光學儀器叢書（合訂本），利用壓密板與三稜鏡，製作出一具簡易的光譜儀（圖三）。（參考資料一） （二）、觀察日光燈光源與鹵素燈光源經由稜鏡式光譜儀發生的色散現象。 圖三、 簡易型稜鏡式光譜儀 二、氦氖雷射透過光柵的繞射現象 （一）、光柵的繞射原理： 繞射光柵是一個研究光的有用工具，與雙狹縫很類似，但是在一定的寬度下具有多的狹縫，本實驗取兩種不同的狹縫裝置（300 lines/mm與80 lines/mm）。我們利用與雙狹縫相同的討論方法：若在w的寬度中有N條狹縫，則我們將w/N＝d稱之為光柵間距，若通過相鄰兩狹縫的光程差為波長的整數倍時（圖四），我們即可在屏幕上看見一道亮紋（圖五），即 d sinθ＝mλ， 其中，m＝0、1、2、……等正整數， θ為光柵中央軸到亮紋的夾角（偏向角）， λ為入射光的波長。 （參考資料二） 圖四、 光程差與波長關係的示意圖 圖五、光柵與屏幕關係的示意圖 （二）、為了增加實驗的精確度與穩定度，我們將氦氖雷射光源置於水泥平台上，將全開的黑色書面紙貼於牆上，並貼上測量亮紋間距的布尺與測量屏幕距離的布尺。 （三）、利用長尾夾將光柵固定在距屏幕600 mm、500 mm、400 mm、300 mm、200 mm的位置上，依序測量300 lines/mm與80 lines/mm光柵之主亮紋（固定在布尺800 mm的位置上）、第一亮紋、第二亮紋的位置。 （四）、計算θ值與氦氖雷射的波長λ。 三、氦氖雷射透過雷射光碟片的繞射現象 （一）、雷射光碟片的原理： 光碟片依其記錄與功能的不同，可概分為分為唯讀型以及可寫入型兩種，可寫入型又可分為讀寫一次以及讀寫多次兩種類型。其中唯讀型產品包含CD-Audio、CD-ROM、Video CD；可錄一次型（Write Once Read Only）：如CD-R；可重複讀寫型（Rewritable）：如CD-RW（可覆寫光碟片）。 本實驗採用目前市面上最普及的產品是CD-R。CD-R的主要構造包含基板、紀錄層（染料層）、保護層以及反射層。由其染料的不同可以分為「金片」、「綠片」、「藍片」等種類，此類光碟片使用者自行將資料以燒錄的方式存入，燒錄的原理是在染料吸收雷射光源後產生熱量，然後以燒孔破壞的方式記錄在光碟片上，在資料存入後就無法擦拭，除了壽命長之外，更具證據性、可靠性及無法消去等特徵，故可錄一次型光碟除了大量應用在複製上，亦適用於僅登錄一次的資料記錄。 （參考資料三） CD-ROM光碟片的直徑12公分，厚度1.2mm，中心孔徑15mm，儲存容量為650MB~682MB，其儲存