光学实验：CD–ROM的绕射现象.DOC

光學實驗：CD–ROM的繞射現象 李 偉1 陳惠玉2 1中原大學應用物理研究所 2中原大學物理系 （投稿日期：90年10月6日；修正日期：91年1月4日；接受日期：91年2月7日） 摘要 中原大學物理系於八十九學年度第二學期光學實驗課中安排了〈光學實驗DIY〉的單元，其目的在訓練學生具備將所學應用於生活問題解決，使學生得有機會體認光柵繞射原理及相關公式簡化前後的適用性，並就唯讀式電腦光碟片的繞射現象進行定性觀察與定量測量，針對所觀察到的現象作深入討論。我們發現，藉由這樣的單元設計，正統教學實驗可以變得更加活潑，不但能引發學生主動學習的興趣，更能提供學生更大的思考空間，從中發現學習的樂趣。我們相信本文所討論的實驗內容，也適用於現階段國民小學自然科教學示範或實驗活動之課程設計。 關鍵詞：自然科學、物理教育、實驗課程 個人電腦（PC）與光碟（compact disc）的使用在現今社會已漸成為不可或缺的日常生活用品，處於e世代的莘莘學子對於電腦光碟片的萬丈光芒自然毫不陌生，不論在初等、中等或高等教育環境裡，稍具自然或物理背景訓練的學生或能將光碟片展現的七彩與光學現象產生聯想，卻也不免要問：「這是什麼光學原理？」為了使學生能更進一步了解此現象的產生原因，中原大學物理系在八十九學年度第二學期的光學實驗課中，特別在實驗手冊裡的第一個實驗編列一項無特定主題、方法、步驟之光學實驗單元，即〈實驗一、光學實驗DIY〉，其目的在使學生能有機會利用實驗室所提供的日常生活物品，包括唯讀式電腦光碟片（compact disc–read-only memory；簡稱CD–ROM），自行設計實驗內容以驗證所學；這種非傳統教學實驗不僅能刺激學生思考，並且訓練學生的觀察能力，一個學期以來在近八十名修課學生中普遍獲得正面的迴響。 光碟繞射實驗中我們可將CD–ROM視為一反射式光柵（reflection diffraction grating）以進行光碟片繞射觀察並探討光柵繞射公式的適用性；就我們所知，現有相關文獻所探討的均為聲碟—或稱數位音樂光碟（compact disc digital audio；簡稱CD或意義更明確的CD–DA）—的繞射示範，而非電腦光碟片之繞射實驗（N?ldeke, 1990; Kettler, 1991; Kruglak, 1993）。實驗之初，我們有必要先讓學生了解光碟片的構造，如此便能明白它的繞射原理。以1980年誕生的的聲碟為例（Rossing and Chiaverina, 1999），其儲存資訊的方式是利用CD上的凹洞（pit）為記號，而這些訊號坑的長度為0.8–3.0μm（微米；即百萬分之一公尺），寬度約0.5μm，深度為0.1μm，凹洞的排列的方式為一螺旋式的（spiral）溝槽，軌距（track pitch）為1.6μm；同屬唯讀式光碟的CD–ROM與上述CD的載訊原理相同，都是直接把資訊記錄於基板上，因此在沒有寫入資料的部分也就沒有螺旋溝槽的構造（楊武智，1999），當然光碟片的這部分區域也就無法產生繞射現象。 實驗所需主要器材包括：波長λ為633 nm（奈米；即十億分之一公尺）之氦氖雷射（He–Ne laser）、二極體雷射 (diode laser)—我們採用波長標示為650 nm之雷射投影筆、CD–ROM及捲尺。根據N?ldeke（1990）的方法，可採用實驗架設如圖（一）所示。 壹、軌距的測量 利用氦氖雷射作為入射光源，觀察並記錄繞射點—繞射主極大（primary maxima）—的相關數據，藉此計算出溝列間距，即軌距。若整數n表繞射的階數（order of diffraction），yn為屏幕上 ± n階繞射點間距離的一半，D為電腦光碟片到屏幕間的距離，利用光柵方程式 　　　　　　　　　　　　　　　　　　， (1) 吾人便可計算出光碟溝槽的間距d。不過一般進行真的狹縫繞射實驗時，實際上我們常會採用數學上簡化的形式，即 　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2) 圖（一）　光碟繞射實驗配置 表（一）列出屏幕上繞射光點位置的實驗測量數據，以及利用公式(1)與公式(2)所得的相關軌距，分別以 d(1)、d(2)表示。 表（一）　CD–ROM的軌距測量數值 D (m) n = 1 n = 2 y1 (m) d(1) ((m) d(2) ((m) y2 (m) d(1) ((m) d(2) ((m) 0.1000 0.0465 1.501 1.361 0.1415 1.550 0.909 0.1500 0.0725 1.454 1.309 0.2165 1.540 0.893 0.2000 0.0910 1.528 1.391 0.2715 1.572 0.945 0.