从光线到光波_掌中型光学实验模组-科学教育实作学门.PDFVIP

從光線到光波_掌中型 光學實驗模組 朱慶琪 國立中央大學物理系 ccchu@.tw 一、簡介、 在科學的發展過程中，光的複雜與多樣性引發 了科學家們高度的興趣 ，也造就了幾何光學、波動光學 和量子 光學領域的蓬勃發展。然而一般民眾或中小學生若想一虧光的神秘面貌，多受限於儀器、設備或 場域的限制，無法隨時隨地進行實驗及探究活動。在獲得科技部一年的的計畫經費補助下，我們研發 完 成一系列掌中型 光學實驗模組套件，內容涵蓋幾何光學、波動光學、量子光學領域，研發之實驗器材具 備體積輕巧的特色，可以手持操作 ，故稱之為掌中型光學實驗。我們希望藉此實驗模組便於攜帶、成本 低廉的優勢，投入科普推廣及探究學習，提升公民的科學素養及探究能力 。本文挑選這系列當中 ，經過 一千多人時試用，良率達 100%的兩項已商品化作品 介紹，分別是幾何光學及波動光學模組。幾何光學部 分以演示 光的直線進行特性為主，包括 針孔成像與簡易相機兩種實驗；波動光學的部分以展現光的波動 性質為目標，作品為掌中光譜儀。 關鍵詞：光學實驗、幾何光學、波動光學、物理光學、掌中型光學實驗、針孔成像、簡易相機、 光譜、 光譜儀 、科學教育、實作、物理、探究。 二、成品簡述、 甲、 幾何光學模組 （針孔成像及簡易相機）： i. 針孔成像 1. 設計及製作： 將樣版 （如圖 1所示）拆下使用雙面膠組成內、外紙盒，即成為針孔成像實驗教材， 如 圖 2所示。製作過程，參見： https://youtu.be/y-1eg13XLTI 商品化，參見：http://ppt.cc/c7kPb 圖 1 、【針孔成像】樣版 圖 2 、左為內紙盒，右為圖 3 、目標建築物 圖 4 、針孔成像結 外紙盒 果 2. 特色：可以壓扁摺疊攜帶以利隨時隨地觀察針孔成像的光學現象，材料成本低於一美 元 （不含管銷等費用）， 3. 功能：介紹光學成像的概念，讓學生了解相機運作的原理，探討成像為何上下顛倒？ 左右相反？模糊程度與孔的大小有沒有關係？有什麼關係？變更入光孔洞的形狀是 否產生不同的成像 ？藉著 以上的探究的流程激發學生對 幾何光學的興趣。 ii. 簡易相機 (Fresnel 透鏡成像) 1. 設計及製作：沿用針孔成像設計，將原入光平面的針孔改為 Fresnel 透鏡 ，如圖5 。 2. 特色：本教材使用Fresnel 透鏡與描圖紙屏幕，材料成本低於一美元，非常適合科普 教育推廣所用。圖 6 成像模糊的原因是因為透過描圖紙拍攝，相機實際操作時，描圖 紙的位置將被底片置換，成像會非常清楚，可以利用紙張當作屏幕測試 Fresnel 成像 即可確認。 3. 功能：一般而言，中小學生學習光學原理不外乎經由課本之公式講解而知，若能搭配 教材操作，則更能加深印象而產生較佳的學習成效。而實驗教具若能人手一個，實際 觀察體驗，才是科學教育的精神。 本教材設計之簡易卡榫可替換不同焦距的 Fresnel 透鏡測試 ，讓學生探討不同的焦距對成像的影響，搭配前一組針孔成像模組，讓學生 對於幾何光學的了解經由實作過程更為透徹。 圖 5 、Fresnel 透鏡成像模組 圖 6 、左圖為建築物、右圖為Fresnel 透鏡成像結果。 乙、波動光學模組（掌中光譜儀）： 1. 設計及製作 ：以正方體紙盒結構，結合狹縫與透射光柵，形成一可摺疊彈