給小朋友的光學介紹

給小朋友的光學介紹

This is a translation of a work by Optical Research Associates, translated with ORA's permission.

本篇係翻譯 OPTICS FOR KIDS: Science and Engineering 網頁的資料

感謝 原作者 Bruce Irving, Optical Research Associates 同意翻譯網頁資料

*** OPTICS FOR KIDS! ***

給父母與老師的說明:小學生們或許會喜歡本網頁對光學簡單的呈現方式,
如果能配合美國光學學會的 光學探索模組 (Optics Discovery Kit from OSA) 效果將更好。
(註:可惜該套器材國內並未販售).網頁中也對於 科學家與工程師 做簡單的比較。
請與你的小孩一起分享本網頁.( 本網頁英文原稿

本網頁展示的兩個主要觀點
光的基本性質
控制光線
為什麼我們會 關心 如何控制光線呢?
透鏡
組合透鏡
放大玻璃: 一個簡單的光學裝置
白光和雷射光
雷射光有多『酷』?
科學家和工程師的異同
科學家對於 光 想瞭解的問題(有興趣的主題)
工程師對於 光 想瞭解的問題(有興趣的主題)
職業
結論
進一步的探討?

 


本網頁展示的兩個主要觀點

o 趣味性與教育性並重

一些好玩有趣味的光學知識(光的科學面---也是物理學中重要的一環)

o 科學家與工程師的觀點

科學家和工程師眼中是如何看光學的? 用眼睛不是嗎?
是的,但是除此以外他們還有 其他的招數。

 


光的基本性質

o 光是什麼?

光是電磁輻射(科學名詞)的一種,但是除了偶而會給你帶來太陽曬傷的情形外,
通常是不會構成傷害的輻射!自然界還存在其他種電磁輻射,例如:收音機訊號的
無線電波、微波、X-射線等。但唯有光是我們人眼睛可直接觀測的到的,
也是形成美麗彩虹的來源。

光如何行進?

非常快而且沿直線前進 (均勻介質或真空中)

那有多快呢?

光每秒大約前進 三十萬公里,
由於太陽與地球間相距 一億四千九百萬公里,
因此 太陽發出的光線約需要八分鐘後才能抵達地球。
這是不是感覺有點慢呢?喔!
假如一部汽車以時速100公里行進,約需要177年才能走相同的距離。
每一秒鐘,光線所走的距離相當於 地球七圈的長度。

[Light is really fast!] (按一下圖片可看放大圖)

光線走的有多直呢?

 

 

除非有東西使得光線彎曲,否則在均勻介質或真空中,光沿直線前進。

 

 

光前進的路線稱為光(束)線.

 


 

如何控制光線

有三個基本控制光線的方法:

 

若是光行進遇到可透光的不同質物質時(例如水或玻璃)

在邊界上光線行進的方向會彎曲, 這種現象稱為折射

這也是透鏡工作的原理。

[Plane mirror reflection] (按一下圖片可看放大圖)
 
 
3.讓光彎曲: [Refraction at surface of water](按一下圖片可看放大圖)

 


 

為什麼我們會關心如何控制光線呢?

...還有更多數不清的應用 如植物利用光成長形成氧氣供給我們呼吸等.

喔!,有些重要, 有用, 而且非常酷的事情或現象 需要我們有能力
以 特定的方式去 產生 、控制 或/及偵測光線。 例如:
你的眼睛
眼鏡和隱形眼鏡
電視、電影以及照相機所用的透鏡
影印機和傳真機
望遠鏡 and 天文望遠鏡
顯微鏡 and 和放大鏡
投影機 (幻燈機, 電影, 實物投射機,電視等)
雷射光碟機
超市物品結帳所用 雷射掃瞄器
天候與偵探衛星
醫學偵測系統 (觀測身體的內部)
太陽能發電系統

 


 

透鏡

什麼是透鏡?

透鏡以特殊有用的方式讓光線彎曲. 大部份控制光線的儀器裝置都會用到至少一個以上的透鏡(有些只用鏡子, 也能發揮類似透鏡具有的功能).

有兩種基本型態的透鏡

 

 

凸透鏡會使光線 聚集(會聚)或集中 而且可以形成

[Simple positive lens]

凹透鏡會使得光線發散 (分散開來)

[Simple negative lens]

你也可以將不同透鏡組合起來:

 


 

組合透鏡

簡單與組合透鏡的區別?

簡單的透鏡無法形成清晰的影, 因此設計師和光學工程師合力找出將透鏡組合後形成清晰影的方法.
利用先進的電腦與程式配合可以幫助我們做這種設計.

照相機所用透鏡組

下圖的組合包含 6 個簡單透鏡 - 按一下圖片看整個照相機.

[Camera lenses have several parts]

攝影機的放大透鏡組 (13 個元件)

[Zoom lenses have moving parts inside]

專業電視台用的攝影機可能包含 40 個以上的元件,價值超過三百萬元!

 


 

放大鏡: 一個簡單的光學裝置

[Diagram of Magnifying Glass] 按一下會顯示放大的說明圖

上圖 說明一個放大透鏡如何將光線彎曲使得物體看起來變大了!

很多光學裝置利用類似的原理讓光線彎曲 來欺騙你的視覺眼睛和腦)

讓你以為光線是從另一處(感覺更大或更近)產生的。

 

 

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    白光和雷射光

    什麼是"白光 "?

    由太陽或燈泡發出的光線 實際上 包含了 不同一般 .

    但是你必須先將不同顏色的光 分開才看得見.

    光線能夠被分開???

    是的!不要懷疑,事實確是如此

    藉由稜鏡 你就可以將 "白光" 分開成為不同光束

    (天空的小水滴的功能就如同小稜鏡一般 將光線散開形成天空美麗的彩虹,

    CD 光碟片也由於內部有很細的條紋形成一種光柵,使得光線散開而看到彩色圖樣)

    [Prism splits white light into colors]

    那"雷射" 又是啥東西呢?

    雷射是一重只有包含單一顏色(波長)的光源.你無法將雷射分成數種顏色光.

    [Laser light can't be split]

     


     

    雷射 有什麼好 "酷" 的呢?

    聚焦(縮小)!

    Lasers雷射可以 縮成非常 的範圍 而且能夠前進很長距離卻不會太過發散,
    (一般手電筒光線很快就散開,強度也就變弱了!)

    能量!

    雷射光可在很小的範圍內卻含有相當多的能量 - 強度甚至能夠穿透很厚的金屬。
    小功率(較少能量)的雷射可被用作為手術刀。

    資訊!

    低功率雷射系統也可以用來傳輸或接收資訊.
    例如, 超市中結帳時 所用來掃瞄物品代號的掃瞄裝置
    包含雷射、透鏡、轉動的鏡片和電腦組合讀出 物品的代碼。
    在CD雷射光碟機中 微小 雷射,藉由光碟片上 如摩斯密碼般的 凹凸條紋讀取記錄的音樂資訊。

    通訊!

    雷射光可以藉由一種特殊材料(光纖)將資訊傳送至遠方。
    同一條光纖內可 同時 用雷射傳送數千個電話通訊消息。

    o 立體攝影術!

    雷射光可以用來儲存與顯示 3度空間立體的影像圖案, 稱為 立體攝影術
    (工程師仍然努力研發可以儲存動態影像的立體影像, 有一天我們將可以有 驚奇的 立體動態照片 - 按此處 將可獲知更多訊息 (連接至國外網站)

     


     

    科學家和工程師的異同

    難道並不相同嗎?

    並不完全相同. 雖然他們可能採用 相同的想法和儀器工具,
    科學家和工程師 有某些 基本的不同.

    科學家想 要/尋找 的是什麼?

    科學家想瞭解 我們生存的自然界運行的道理. 或許看來是個千頭萬緒的解謎工作.
    由所發現自然界的道理 有些可以讓我們更有效率的解決問題或更舒服的生活,
    有些可能現在看來並沒有什磨直接的用處。(也有很多過去以為沒用的道理,
    卻是現代科技所遵循的應用)。
    科學家主要專注的目標是 理解萬物的道理 而不是它的用途。

    工程師又是什麼角色呢?

    工程師努力的方向是藉由科學家和數學所發現的道理,設計能夠對人群社會有用的東西。
    他們是設計師 -- 設計我們日常生活或工作中所用的產品, 從電腦、汽車到照相機透鏡.

    他們的共同點在哪兒呢?

    他們都運用科學中的事實和方法.使用數學與電腦做工具,
    工程師繼續運用已知的科學知識發展新的產品, 也可提供新的研究工具。
    科學家則努力於 發現新的科學知識供 工程師運用。兩者相互配合。

     


     

    科學家們對於 光 有興趣的一些問題

    光是什麼?
    光是如何由物質中產生的?
    為什麼東西有不同的顏色?
    為何天空是藍色的?
    為何有些東西會容易反射光線,有些則不太反射?
    為何有的東西是透明的?
    為何光線會彎曲?
    光線走的有多快?
    光線到底是粒子,波動, 或者其它的東東?
    為何光線對於部份物質會產生影響?

     


     

    工程師對於光有興趣的一些問題

    光線讓我們看見東西 -- 我們如何更有效的控制光?

    如何改善視力情形? (眼鏡)
    如何看見遠方的物品? (望遠鏡)
    如何看見微小的物品? (顯微鏡)
    如何在黑暗中看見物品? (夜視鏡)

    光線對物質會有影響 (例如, 光線曬紅皮膚) -- 如何利用這樣的事實?

    如何將影像儲存 保留到以後? ( 照相,電影, 電視, 立體攝影術)
    如何切割或改變物體外型? (雷射手術刀, 雷射鑽孔機等.)
    如何由光產生電力? (太陽電池以及其他太陽能系統)

    光線非常快的行進且能夠攜帶資訊 - 我們該如何應用呢?

    如何得知世界上的資訊? (電視攝影機, 雷射掃描器, 機械人的視力)
    如何用來溝通? (光纖電話系統)
    如何用來儲存龐大資訊? (光碟,立體攝影)

     


     

    職業

    這個世界需要科學家及工程師!

    科學家與工程師都是社會上重要的成員. 生活於現代的世界我們需要科學與科技
    -- 產生我們需要的產品,提供溝通的工具,供應方便的旅遊方式,
    也讓我們瞭解和保護我們的環境以及更多更多.....

    他們在做什麼?

    科學家和工程師通常有不錯的薪資,在工作崗位上從事各樣的工作。
    他們不只是需要 數學, 電腦, 閱讀和寫作的能力. 很多科學家與工程師需要到世界各處工作(因此學會外國語言將很有幫助).
    在過去,主要的科學家與工程師都是男性, 但是現在越來越多女性也加入了行列。
    只要你對事物有好奇心,歡迎你(妳)加入 科學家或工程師 的行列!

    那數學又扮演怎樣的角色呢?

    數學是很重要的工具,但是閱讀、寫作、常識、好奇心與 思考的能力也都很重要。
    想當個科學家或工程師 需要大學或學院的基礎教育,
    甚至再繼續進入研究所 研討更深入的學識。

    其他的選擇

    光學專長的科學家或工程師是 具有專業知識的人才,
    除此之外仍然還有很多其他有趣的專業領域妳(你)可以去選擇。

    科學和工程都可以是非常有趣的!

    不要被作業,公式或數學給嚇跑了!

     


     

    結論

    光學是研討光的科學知識

    控制光的裝置在日常生活中是重要且常見的

    很多光學裝置使用透鏡和雷射

    科學家和工程師運用相同的知識與方法(例如數學與電腦)

    但是他們有不同的目標

    科學和工程都可以是有趣的!

     


     

    想知道進一步的資訊嗎? 書籍和實驗...

    小朋友,不妨向妳(你)的老師詢問或到圖書館尋找 進一步的資訊。

    再次感謝原作者同意翻譯成中文,也同意將圖片內改成中文說明,

    以嘉惠我們的小朋友!讓我們祝福他!

    翻譯者:黃福坤 如有錯誤疏忽之處, 請來信指正,謝謝!

     


     

    以下的參考書籍與資料皆是原文:

    Your library or bookstore may have some of these books, as well as others on various aspects of optics.

    LIGHT ACTION! by Vicki Cobb and Josh Cobb
    (Illustrated by Theo Cobb, HarperCollins, 1993)

    Subtitled "Amazing Experiments with Optics," this is a terrific book for continuing your exploration of optics. The experiments cover many of the points discussed here, but they go on to include more advanced topics such as polarization and diffraction. Experiments require only simple houshold materials and objects (suggested for grades 6 and up). Highly recommended!

    LIGHT by David Burnie (Eyewitness Science Series, Dorling Kindersley, 1992) 本網頁原作者

    Great photos and explanations!

    Explorabook: A Kids' Science Museum in a Book by John Cassidy (Klutz Press, 1991)

    Lens, mirror, diffraction grating and more for optics experiments, plus others on magnetism, bacteria, etc. -- a really cool book. This comes from the Exploratorium in San Francisco, a really great science museum.

    How Science Works by Judith Hahn (Reader's Digest, 1991)

    Very good optics (and other) experiments with simple home-built parts

    Internet Webseum of Holography

    This Web site has a lot of material on lasers and holography, with cool photos of holograms, and great information on how holograms are made. A fascinating site! The large amount of graphics may make some pages slow to load.

    The Official Optics Discovery Kit (OSA)

    Materials (lenses, filters, a hologram, optical fiber, diffraction grating, etc.) for various simple experiments with optics. Includes instruction booklet. Multi-kit classroom packages are also available. The Optical Society of America (OSA) can also provide information on careers in optics.
    Order from:
    Optical Society of America

    Optics Kit Orders

    2010 Massachusetts Ave. N.W.

    Washington, DC 20036

    Telephone: 202-416-1960

    "Patterns in Nature" (Arizona State University) is an excellent Web site based largely on OSA's Optics Discovery Kit. Great graphics and explanations!

    OR ASK YOUR FRIENDLY LIBRARIAN OR SCIENCE TEACHER TO HELP YOU FIND OTHER BOOKS ON OPTICS OR OTHER AREAS OF SCIENCE!

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