中國民國第54屆中小學科學展覽會

中 華 民 國 第 54 屆 中 小 學 科 學 展 覽 會 國 中 組 物 理 科 作 品 說 明 書 030114- 封 面 白 色 雪 衣 下 的 秘 密 - 光 的 反 射 折 射 與 漫 射 學 校 名 稱 : 彰 化 縣 立 信 義 國 民 中 小 學 作 者 : 指 導 老 師 : 國 二 吳 冠 緯 國 二 賴 育 琳 吳 俊 杰 周 筱 蓉 國 二 曾 霈 榆 關 鍵 詞 : 反 射 漫 射 釣 魚 線

白 色 雪 衣 下 的 秘 密 探 討 光 的 折 射 反 射 漫 射 摘 要 看 見 生 物 體 表 顏 色, 認 為 生 物 就 是 那 種 膚 色 或 是 有 該 色 澤 的 毛 髮, 青 蛙 有 綠 色 的 皮 膚 棕 熊 有 棕 色 毛 髮 北 極 熊 乍 看 之 下 是 白 色 的 就 有 白 色 的 皮 膚 或 是 白 色 的 毛 髮 但 實 際 上 毛 是 透 明 無 色 的 而 資 料 顯 示 北 極 熊 皮 膚 是 黑 色 與 常 識 有 所 矛 盾 經 由 玻 璃 塑 膠 片 釣 魚 線 的 實 驗 發 現, 這 是 因 為 光 的 緣 故 光 照 射 於 細 小 物 件 上 時, 產 生 了 漫 射 讓 原 來 黑 色 的 皮 膚 被 掩 蓋, 透 明 的 毛 髮 也 無 法 表 現 出 來, 而 呈 現 出 白 色 的 北 極 熊 實 驗 過 程 中, 我 們 製 作 一 個 仿 北 極 熊 皮 毛 的 模 型 ( 黑 色 底 色 透 明 的 毛 髮 ), 置 於 暗 箱 中 做 觀 察 發 現 透 明 的 釣 魚 線, 在 光 照 射 下 呈 現 白 色, 同 時 也 掩 蓋 了 釣 魚 線 下 方 黑 色 的 黏 土 證 實 了 北 極 熊 的 體 色 是 因 為 光 漫 射 的 緣 故, 視 覺 上 看 起 來 呈 現 白 色 壹 研 究 動 機 在 某 個 電 視 節 目 上 看 見 一 個 有 關 於 北 極 熊 的 知 識 問 答 住 在 北 極 的 北 極 熊 的 看 起 來 是 白 色 的, 則 下 列 哪 一 個 是 北 極 熊 皮 膚 真 正 的 顏 色 其 答 案 是 黑 色 因 而 引 起 來 我 們 對 於 北 極 熊 體 色 的 興 趣 經 由 資 料 的 查 找 和 自 然 老 師 詢 問 後 發 現 : 實 際 上 北 極 熊 的 毛 髮 也 不 是 白 色 的, 牠 的 毛 都 是 透 明 無 色, 並 且 中 空 的, 看 起 來 出 現 白 色 的 原 因 是 因 為 牠 中 空 的 毛 髮 會 反 射 和 散 射 可 見 光 的 緣 故 而 且 在 牠 們 的 毛 髮 下, 獸 皮 是 黑 色 的 在 光 與 顏 色 課 程 中, 介 紹 當 各 種 色 光 照 射 在 物 品 表 現 時, 被 反 射 回 來 的 色 光 綜 合, 就 是 我 們 所 看 見 的 顏 色 然 而 透 明 的 毛 髮 黑 色 的 獸 皮 卻 將 各 種 色 光 全 部 反 射, 顏 色 上 產 色 強 烈 反 差 因 此 勾 起 我 們 對 光 與 顏 色 轉 變 的 好 奇 心, 經 由 學 校 老 師, 與 家 長 的 指 導 下 讓 我 們 對 於 光 所 造 成 顏 色 改 變 想 要 做 更 進 一 步 的 暸 解 正 好 國 二 上 學 期 自 然 課 的 第 四 章 光 影 像 與 顏 色 中, 與 我 們 對 北 極 熊 毛 色 的 疑 惑 有 著 呼 應 由 於, 上 課 時 從 老 師 講 解 的 過 程 中, 了 解 到 光 與 北 極 熊 的 毛 色 可 能 有 著 非 常 密 切 的 關 係 因 此, 我 們 做 了 一 系 列 的 實 驗, 瞭 解 光 的 折 射 反 射 與 散 射 現 色 與 北 極 熊 毛 色 膚 色 的 關 係 習 習 相 關 光 與 我 們 的 生 活 是 息 息 相 關 的, 但 我 們 卻 從 來 未 曾 仔 細 留 意 過, 原 來 光 是 如 此 的 奇 妙! 1

貳 研 究 目 的 一 學 習 光 的 相 關 知 識 研 究 光 的 折 射 漫 射 散 射 與 反 射 二 利 用 光 的 特 性 觀 察 各 種 透 明 材 質 在 白 光 下 對 黑 色 物 體 的 遮 蔽 效 果 三 探 討 透 明 毛 色 的 北 極 熊 在 白 光 不 同 色 光 下 會 呈 現 什 麼 顏 色 四 探 討 透 明 毛 色 的 北 極 熊 毛 髮 長 短 與 數 量 對 光 的 強 度 影 響 参 研 究 設 備 及 器 材 一 般 性 器 材 實 驗 一 實 驗 二 實 驗 三 暗 箱 1 個 不 規 則 玻 璃 一 塊 自 製 安 全 玻 璃 一 塊 夾 鏈 袋 若 干 檯 燈 1 盞 夾 鍊 帶 若 干 鐵 鎚 一 支 黑 色 黏 土 三 塊 鐵 鎚 一 支 鑷 子 一 支 照 度 計 實 驗 四 實 驗 五 實 驗 六 實 驗 七 夾 鏈 袋 若 干 透 明 釣 魚 線 八 綑 透 明 釣 魚 線 八 綑 透 明 釣 魚 線 八 綑 5 x 11 木 塊 一 個 5 x 11 木 塊 一 個 5 x 11 木 塊 一 個 自 製 纏 線 工 具 自 製 纏 線 工 具 自 製 纏 線 工 具 玻 璃 紙 釣 魚 線 自 製 特 製 纏 線 工 具 在 木 塊 上 鋪 上 黑 5x11 木 塊 色 黏 土 2

肆 研 究 過 程 一 研 究 一 般 透 明 玻 璃 的 形 態 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 依 玻 璃 形 狀 製 作 一 塊 相 同 形 狀 的 黑 色 黏 土 2 將 完 整 的 玻 璃 放 上 黏 土, 放 入 自 製 的 暗 箱 後, 以 肉 眼 觀 察 其 在 檯 燈 白 光 下 的 顏 色 情 形 3 將 同 塊 玻 璃 敲 碎, 以 同 樣 的 方 法 觀 察 4 玻 璃 放 入 夾 鏈 袋, 隔 布 敲 打 使 更 碎, 再 以 同 樣 的 方 法 觀 察 5 避 免 倒 玻 璃 碎 片 時, 碎 片 掉 出, 製 一 長 型 紙 條 圍 於 黏 土 旁, 保 持 玻 璃 的 量 並 使 平 均 分 配 細 碎 玻 璃 更 加 容 易 6 再 將 玻 璃 敲 打 更 碎, 再 以 相 同 的 方 法 觀 察 與 玻 璃 同 形 的 黑 色 黏 土 蓋 上 一 片 玻 璃 的 情 形 第 一 次 敲 碎 第 二 次 敲 碎 用 紙 條 將 黏 土 包 圍 起 來 第 三 次 敲 碎 ( 已 被 紙 條 包 圍 ) 3

二 研 究 安 全 玻 璃 的 形 態 對 光 的 反 射 程 度 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 將 完 整 的 玻 璃 放 上 黏 土, 放 入 自 製 的 暗 箱 後, 以 照 度 計 觀 察 其 在 檯 燈 白 光 下 的 顏 色 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 與 箱 內 情 形 照 於 完 整 玻 璃 時 照 度 數 值 與 箱 內 情 形 2 將 同 塊 玻 璃 經 一 次 敲 碎, 使 其 表 面 產 生 裂 紋, 以 同 樣 的 方 法 觀 察 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 3 同 塊 玻 璃 再 次 敲 碎, 使 其 表 面 再 產 生 裂 紋, 以 同 樣 的 方 法 觀 察 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 4

4 將 玻 璃 敲 打 出 更 多 裂 痕, 再 以 相 同 的 方 法 觀 察 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 玻 璃 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 5

三 比 較 透 明 塊 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 將 測 量 不 易 的 玻 璃 更 換 成 塑 膠 袋 2 依 黏 土 形 狀 剪 出 大 小 相 同 的 塑 膠 袋 片 3 每 次 增 加 二 片 完 整 塑 膠 袋 片, 以 肉 眼 觀 察 顏 色 的 變 化, 直 至 顏 色 由 黑 色 變 為 白 色 0 片 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 2 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 4 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 10 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 12 片 完 整 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6

4 改 變 塑 膠 袋 片 大 小, 將 每 一 片 塑 膠 袋 分 割 為 四 等 分, 重 新 進 行 上 述 步 驟 2 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 4 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 10 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 11 片 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 7

5 再 次 改 變 塑 膠 袋 片 大 小, 將 每 一 片 塑 膠 袋 分 割 為 十 六 等 分, 重 新 進 行 上 述 步 驟 2 片 十 六 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 4 片 十 六 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6 片 十 六 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8 片 十 六 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 10 片 十 六 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8

6 改 變 塑 膠 袋 片 大 小, 將 每 一 片 塑 膠 袋 分 割 為 三 十 二 等 分, 重 新 進 行 上 述 步 驟 2 片 三 十 二 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 4 片 三 十 二 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6 片 三 十 二 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8 片 三 十 二 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 10 片 三 十 二 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 9

7 改 變 塑 膠 袋 片 大 小, 將 每 一 片 塑 膠 袋 分 割 為 六 十 四 等 分, 重 新 進 行 上 述 步 驟 2 片 六 十 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 4 片 六 十 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 6 片 六 十 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 8 片 六 十 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 9 片 六 十 四 等 分 塑 膠 袋 片 時, 黑 色 黏 土 在 白 光 下 的 情 形 10

四 比 較 透 明 條 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 依 黏 土 形 狀 剪 出 大 小 相 同 的 塑 膠 袋 片 將 10 20 片 完 整 塑 膠 袋 片 放 上, 觀 察 數 量 ( 厚 度 ) 不 同 時, 顏 色 的 變 化, 接 著 發 現 20 片 的 塑 膠 袋 反 射 光 數 據 超 過 了 空 白 處 反 光 的 數 據, 因 此 變 往 回 做 19 片 的 反 射 光 實 驗 數 據, 觀 察 結 果 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 黏 土 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 11

照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 為 避 免 距 離 造 成 影 響 將 白 紙 置 於 黏 土 上, 使 其 與 模 擬 物 等 高 確 定 轉 變 為 白 色 時 需 塑 膠 片 19 張 12

2 以 相 同 的 方 法, 觀 察 塑 膠 片 大 小 變 化 為 二 等 分 時 數 量 ( 厚 度 ) 不 同 時, 顏 色 的 變 化 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 為 避 免 距 離 造 成 影 響 將 白 紙 置 於 黏 土 上, 使 其 與 模 擬 物 等 高 13

3 以 相 同 的 方 法, 觀 察 塑 膠 片 大 小 變 化 為 四 等 分 時 數 量 ( 厚 度 ) 不 同 時, 顏 色 的 變 化 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 為 避 免 距 離 造 成 影 響 將 白 紙 置 於 黏 土 上, 使 其 與 模 擬 物 等 高 14

五 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 用 特 製 的 纏 線 工 具 製 作 : 先 取 八 十 為 基 準, 八 十 根 為 一 束, 共 製 作 五 十 五 束 以 釣 魚 線 纏 繞 而 成 的 白 毛, 模 擬 北 極 熊 的 毛 髮 2 在 自 製 的 木 塊 上, 每 平 方 公 方 插 上 一 束 白 毛, 觀 察 其 在 暗 箱 中, 固 定 白 色 光 源 照 射 下 的 情 形 3 接 著, 一 次 一 次 的 從 毛 束 中 抽 除 五 支 透 明 細 毛,75 70 65 直 到 毛 束 中 剩 下 25 支 細 毛, 以 相 同 方 式 觀 察 一 束 八 十 根 透 明 細 線 時 一 束 七 十 五 根 透 明 細 線 時 一 束 七 十 根 透 明 細 線 時 一 束 六 十 五 根 透 明 細 線 時 15

一 束 六 十 根 透 明 細 線 時 一 束 五 十 五 根 透 明 細 線 時 一 束 五 十 根 透 明 細 線 時 一 束 四 十 五 根 透 明 細 線 時 一 束 四 十 根 透 明 細 線 時 一 束 三 十 五 根 透 明 細 線 時 一 束 三 十 根 透 明 細 線 時 一 束 二 十 五 根 透 明 細 線 時 16

六 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 反 射 情 形 實 驗 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 用 特 製 的 纏 線 工 具 製 作 : 先 以 十 根 為 一 束, 共 製 作 五 十 五 束 以 釣 魚 線 纏 繞 而 成 的 白 毛, 模 擬 北 極 熊 的 毛 髮 2 在 自 製 的 木 塊 上, 每 平 方 公 方 插 上 一 束 白 毛, 觀 察 其 在 暗 箱 中, 固 定 白 色 光 源 照 射 下 的 情 形, 如 圖 七 十 一 3 接 著, 一 次 一 次 的 在 毛 束 中 加 入 十 支 透 明 細 毛,20 30 直 到 毛 束 中 共 有 70 支 細 毛, 以 相 同 方 式 觀 察, 如 圖 七 十 二 ~ 圖 七 十 七 ( 註 選 增 加 至 70 根 的 原 因 為 在 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 ( 一 ) 定 性 實 驗 中, 目 測 而 得 的 變 白 效 果 在 70 根 時 最 為 明 顯 ) 照 於 全 白 處 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 17

照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 18

( 二 ) 延 伸 模 擬 北 極 熊 的 毛 長 度 對 光 線 的 影 響 實 驗 : 1 以 70 根 釣 魚 線 為 一 組 操 作 延 伸 實 驗, 判 斷 當 釣 魚 線 ( 毛 ) 長 度 不 同 時, 反 射 光 量 的 效 果 有 何 不 同 2 測 得 原 釣 魚 線 長 為 8 公 分, 將 每 一 束 先 剪 為 6 公 分, 測 量 同 樣 數 量 長 度 不 同 的 釣 魚 線 束, 反 射 光 量 的 多 寡 3 接 著 再 將 每 束 減 為 4 公 分, 測 量 同 樣 數 量 長 度 不 同 的 釣 魚 線 束, 反 射 光 量 的 多 寡 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 照 於 模 擬 物 上 照 度 數 值 箱 內 情 形 19

七 模 擬 不 同 色 光 對 北 極 熊 毛 的 影 響 : ( 一 ) 實 驗 過 程 : 1 沿 用 七 十 根 一 束 4 公 分 的 釣 魚 線 操 作 實 驗 2 用 不 同 顏 色 ( 紅 綠 藍 ) 的 玻 璃 紙 置 於 燈 下, 使 其 照 出 的 光 顏 色 改 變 觀 察 在 色 光 下 漫 射 的 情 形, 再 與 白 光 比 較 如 圖 八 十 一 ~ 八 十 三 照 於 全 白 處 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 全 白 處 照 度 數 值 箱 內 情 形 照 於 模 擬 物 照 度 數 值 箱 內 情 形 20

伍 研 究 結 果 一 研 究 一 般 透 明 玻 璃 的 形 態 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 當 玻 璃 完 整 時, 可 完 全 看 到 黑 色 的 黏 土 ( 二 ) 敲 碎 第 一 次 時, 發 現 仍 可 看 到 黑 色 黏 土 ( 三 ) 敲 碎 第 二 次 時, 發 現 顏 色 變 白 效 果 出 現, 但 邊 緣 效 果 並 不 明 顯 二 研 究 安 全 玻 璃 的 形 態 對 光 的 反 射 程 度 : ( 一 ) 當 玻 璃 完 整 時, 可 完 全 看 到 黑 色 的 黏 土 ( 二 ) 敲 碎 第 一 次 時, 發 現 仍 可 看 到 黑 色 黏 土 ( 三 ) 敲 碎 第 二 ~ 六 次 時, 發 現 黑 色 黏 土 亦 會 漸 漸 被 白 色 蒙 蔽 600 500 400 300 200 白 色 玻 璃 100 0 0 1 2 3 4 5 6 1.9 2 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 玻 璃 敲 打 次 數 直 線 圖 比 值 0 1 2 3 4 5 6 比 值 玻 璃 敲 打 比 值 曲 線 圖 小 結 : 但 入 射 光 / 反 射 光 的 比 值 是 不 論 敲 碎 都 少 次 都 極 為 相 近 的, 因 此 可 判 斷 碎 裂 的 程 度 只 與 變 白 效 果 有 關, 卻 不 影 響 反 光 的 多 寡 21

三 比 較 透 明 塊 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : 0 2 4 6 8 9 10 11 12 完 整 的 塑 膠 袋 片 全 黑 黑 色 的 黏 土 漸 漸 顯 得 霧 化, 但 還 是 看 的 到 黑 色 霧 化 情 形 : 數 量 多, 愈 顯 得 白 色 幾 乎 看 不 見 黑 色 立 刻 觀 察 到 白 色 0 2 4 6 8 9 10 11 12 4 等 分 全 黑 黑 色 的 黏 土 漸 漸 顯 得 霧 化, 但 還 是 看 的 到 黑 色 霧 化 情 形 : 數 量 多, 愈 顯 得 白 色 幾 乎 看 不 見 黑 色 立 刻 觀 察 到 白 色 0 2 4 6 8 9 10 11 12 16 等 分 全 黑 黑 色 的 黏 土 漸 漸 顯 得 霧 化, 但 還 是 看 的 到 黑 色 霧 化 情 形 : 數 量 多, 愈 顯 得 白 色 幾 乎 看 不 見 黑 色 立 刻 觀 察 到 白 色 0 2 4 6 8 9 10 11 12 32 等 分 全 黑 黑 色 的 黏 土 漸 漸 顯 得 霧 化, 但 還 是 看 的 到 黑 色 霧 化 情 形 : 數 量 多, 愈 顯 得 白 色 幾 乎 看 不 見 黑 色 立 刻 觀 察 到 白 色 0 2 4 6 8 9 10 11 12 黑 色 的 黏 土 漸 64 等 分 全 黑 漸 顯 得 霧 化, 但 還 是 看 的 到 黑 色 霧 化 情 形 : 數 量 多, 愈 顯 得 白 幾 乎 看 不 見 黑 色 立 刻 觀 察 到 白 色 色 22

所 需 要 的 片 數 14 12 10 8 6 4 2 0 1 1/4 1/16 1/32 1/64 等 份 透 明 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 趨 勢 圖 小 結 : 由 此 可 知, 塑 膠 袋 片 的 面 積 每 乘 以 1/4 倍, 讓 黑 色 黏 土 被 白 色 遮 蔽 所 需 要 的 塑 膠 片 數 便 會 少 一 張 23

四 比 較 透 明 條 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 完 整 完 整 塑 膠 片 柱 狀 圖 完 整 塑 膠 片 條 狀 折 線 圖 24

( 二 ) 二 分 之 一 二 分 之 一 塑 膠 片 柱 狀 圖 二 分 之 一 塑 膠 袋 比 值 折 線 圖 25

( 三 ) 四 分 之 一 四 分 之 一 塑 膠 片 柱 狀 圖 四 分 之 一 塑 膠 片 比 值 折 線 圖 26

五 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 : 根 數 25 30~75 80 黑 色 的 黏 土 慢 慢 的 看 不 見, 但 還 是 看 的 情 可 以 明 顯 看 到 一 點 點 的 黑 色 立 刻 觀 察 到 形 見 黑 色 顯 現 出 白 色 的 情 形 : 數 量 愈 多, 愈 顯 得 白 色 白 色 白 黑 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 根 數 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 趨 勢 圖 小 結 : 由 此 可 知, 透 明 釣 魚 細 線 的 數 量, 在 每 平 方 公 分 的 面 積 裡, 每 增 加 根 數, 便 可 讓 黑 色 黏 土 被 白 色 遮 蔽 的 效 果 便 會 更 明 顯 27

六 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 反 射 情 形 實 驗 : 350 340 330 320 310 300 白 色 反 射 光 線 釣 魚 線 反 射 光 線 290 280 10 根 20 根 30 根 40 根 50 根 60 根 70 根 10~70 釣 魚 線 直 線 圖 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 比 值 10 片 20 片 30 片 40 片 50 片 60 片 70 片 比 值 10~70 釣 魚 線 比 值 曲 線 小 結 : 雖 然 釣 魚 線 反 射 的 光 不 及 單 只 有 底 層 的 白 色 珍 珠 板 所 反 射 的 光 線, 但 兩 相 比 值 下, 發 現 數 據 都 是 大 同 小 異 的 28

( 一 ) 延 伸 模 擬 北 極 熊 的 毛 長 度 對 光 線 的 影 響 實 驗 : 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 8 公 分 6 公 分 4 公 分 白 色 反 射 光 線 釣 魚 線 反 射 光 線 剪 短 釣 魚 線 直 線 圖 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 比 值 8 公 分 6 公 分 4 公 分 比 值 剪 短 釣 魚 線 比 值 曲 線 小 結 : 即 便 釣 魚 線 剪 短 目 測 的 顏 色 也 漸 漸 變 白, 但 如 同 六 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 反 射 情 形 實 驗 的 結 論, 入 射 光 / 反 射 光 的 比 值 數 據 依 舊 不 變, 可 證 明 透 明 北 極 熊 毛 所 反 射 的 白 光 並 不 影 響 太 陽 光 在 北 極 熊 黑 色 皮 膚 上 吸 熱 的 程 度 29

七 模 擬 不 同 色 光 對 北 極 熊 毛 的 影 響 : 二 分 之 一 塑 膠 袋 比 值 柱 狀 圖 不 同 色 光 釣 魚 線 比 值 曲 線 小 結 : 由 眼 睛 所 見 的 顏 色 會 依 照 色 光 的 顏 色 改 變, 而 依 照 照 度 計 所 測 得 的 數 據, 色 光 的 入 射 光 / 釣 魚 線 反 射 色 光 的 比 值, 也 是 差 不 多 的 由 此 可 知, 當 北 極 熊 處 於 非 白 光 的 色 光 下, 所 顯 現 的 極 為 色 光 的 顏 色, 但 一 能 藉 由 黑 色 皮 膚 吸 收 等 量 的 熱 能 30

陸 討 論 一 研 究 一 般 透 明 玻 璃 的 形 態 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 敲 碎 第 一 次 時, 發 現 仍 可 看 到 黏 土, 這 是 因 為 碎 片 太 大, 效 果 不 彰, 如 圖 一 百 敲 碎 第 一 次 時 碎 片 太 大, 反 射 光 較 少, 效 果 不 彰 ( 二 ) 敲 碎 第 二 次 時, 發 現 顏 色 變 白 效 果 出 現, 但 邊 緣 效 果 不 明 顯, 原 因 為 碎 玻 璃 分 布 不 均 或 仍 然 不 夠 碎, 如 圖 一 0 一 玻 璃 碎 片 增 加, 在 相 同 光 源 之 下, 反 射 出 的 光 明 顯 較 多 ( 三 ) 為 了 能 同 時 解 決 上 述 兩 項 問 題, 我 們 決 定 在 黏 土 的 四 周 圍 一 長 形 紙 條 放 上 紙 條 後, 不 用 擔 心 碎 玻 璃 掉 出 黏 土 範 圍 外, 即 可 容 易 的 在 範 圍 內 平 均 分 布, 解 決 分 布 不 均 的 問 題 ; 再 將 玻 璃 敲 的 更 碎, 有 些 許 白 色 粉 末 出 現, 就 可 以 解 決 玻 璃 碎 度 的 問 題 如 圖 一 0 二 碎 片 愈 多, 反 射 光 量 也 就 愈 雜 31

二 研 究 安 全 玻 璃 的 形 態 對 光 的 反 射 程 度 : ( 一 ) 未 敲 碎 的 完 整 玻 璃, 在 暗 箱 中 觀 察 可 發 現 無 法 遮 蔽 黑 色 黏 土 ( 二 ) 敲 碎 第 一 次 後, 可 以 發 現 玻 璃 上 有 幾 道 裂 痕, 利 用 照 度 計 測 量, 可 以 發 現 與 測 量 第 一 次 結 果 相 近 ( 三 ) 敲 碎 第 二 次 後, 玻 璃 上 多 了 幾 道 裂 痕, 可 以 些 許 看 見 因 裂 痕 而 形 成 的 白 色 ( 四 ) 敲 碎 第 三 次 後, 白 色 裂 痕 越 來 越 多, 但 白 色 反 射 的 強 度 與 有 裂 痕 玻 璃 的 強 度 的 比 值 與 上 者 差 距 很 小 ( 五 ) 在 敲 碎 四 ~ 六 次 玻 璃 之 後, 白 色 裂 痕 已 遮 蔽 了 大 多 黑 色 黏 土, 其 比 值 也 十 分 相 近, 故 可 推 得 : 敲 碎 次 數 與 碎 玻 璃 反 射 強 度 相 差 甚 小 三 比 較 透 明 塊 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 因 為 玻 璃 的 碎 度 及 大 小 並 不 容 易 控 制, 在 實 驗 過 程 中 較 無 法 測 量 因 此 將 玻 璃 更 換 成 塑 膠 袋 ( 二 ) 塑 膠 袋 容 易 裁 剪, 能 夠 控 制 大 小, 與 玻 璃 比 較 起 來, 無 疑 是 較 佳 的 實 驗 器 具 ( 三 ) 光 線 折 射 與 散 射 的 結 果 與 玻 璃 相 同, 都 是 當 碎 片 小 數 量 多 時, 透 明 無 色 的 物 質 也 可 遮 蔽 深 色 的 黏 土 四 比 較 透 明 條 狀 塑 膠 袋 片 對 光 線 的 影 響 : ( 一 ) 完 整 1 將 完 整 塑 膠 片 重 疊 至 十 張 並 測 量 其 光 線 反 射 強 度, 白 色 反 射 光 線 與 塑 膠 片 反 射 光 線 比 值 未 達 到 一, 故 其 未 變 白 2 將 完 整 塑 膠 片 重 疊 至 二 十 張 時, 兩 者 之 間 的 比 值 已 超 過 一, 所 以 表 示 已 經 變 白, 並 往 回 尋 找 從 何 處 開 始 變 白 3 將 完 整 二 十 片 的 塑 膠 片 抽 掉 一 張, 在 十 九 張 塑 膠 片 重 疊 時, 發 現 其 比 值 已 小 於 一, 所 以 得 到 塑 膠 袋 變 白 是 在 十 九 至 二 十 片 之 間 ( 二 ) 二 分 之 一 1 為 了 更 貼 近 北 極 熊 的 毛 髮, 於 是 將 原 本 塊 狀 塑 膠 片 改 為 條 狀 2 將 二 分 之 一 塑 膠 片 重 疊 至 十 張 並 測 量 其 光 線 反 射 強 度, 白 色 反 射 光 線 與 塑 膠 片 反 射 光 線 比 值 未 達 到 一, 故 其 未 變 白 3 將 二 分 之 一 塑 膠 片 重 疊 至 二 十 張 時, 兩 者 之 間 的 比 值 已 超 過 一, 所 以 表 示 已 經 變 白, 並 往 回 尋 找 從 何 處 開 始 變 白 4 將 切 成 二 分 之 一 的 二 十 片 塑 膠 片 抽 掉 一 張, 在 十 九 張 塑 膠 片 重 疊 時, 發 現 其 比 值 已 小 於 一, 所 以 得 到 塑 膠 袋 變 白 是 在 十 九 至 二 十 片 之 間 32

( 三 ) 四 分 之 一 1 將 四 分 之 一 塑 膠 片 重 疊 至 十 張 並 測 量 其 光 線 反 射 強 度, 白 色 反 射 光 線 與 塑 膠 片 反 射 光 線 比 值 未 達 到 一, 故 其 未 變 白 2 將 四 分 之 一 塑 膠 片 重 疊 至 二 十 張 時, 兩 者 之 間 的 比 值 已 超 過 一, 所 以 表 示 已 經 變 白, 並 往 回 尋 找 從 何 處 開 始 變 白 3 將 切 成 四 分 之 一 的 二 十 片 塑 膠 片 抽 掉 一 張, 在 十 九 張 塑 膠 片 重 疊 時, 發 現 其 比 值 已 小 於 一, 所 以 得 到 塑 膠 袋 變 白 是 在 十 九 至 二 十 片 之 間 五 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 : ( 一 ) 經 過 以 上 兩 項 實 驗 證 明 光 的 漫 射 能 讓 人 的 視 覺 感 到 白 色 的 效 果, 因 此 我 們 利 用 透 明 的 釣 魚 線 模 擬 北 極 熊 那 本 也 是 無 色 的 毛 髮, 證 明 當 數 量 多 夠 茂 密 時, 儘 管 原 本 是 透 明 無 色 的 細 線, 在 光 的 層 層 反 射 錯 綜 複 雜 之 下, 也 能 看 見 一 片 雪 白, 如 圖 五 十 五 北 極 熊 的 毛 色 示 意 圖, 北 極 熊 的 白 毛 在 光 的 層 層 反 射 之 下, 人 眼 所 看 見 的 便 會 是 看 見 一 片 雪 白 33

六 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 反 射 情 形 實 驗 : ( 一 ) 為 將 五 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 的 數 據 更 精 確 的 量 化, 利 用 照 度 計 由 10 根 一 束 開 始 往 上 增 加 至 70 根 一 束 ( 二 ) 選 增 加 至 70 根 的 原 因 為 在 五 模 擬 北 極 熊 的 毛 色 情 形 實 驗 目 測 而 得 的 變 白 效 果 在 70 根 時 最 為 明 顯 反 射 光 ( 三 ) 而 且, 即 便 反 射 比 值 ( ) 均 差 不 多, 但 據 五 模 擬 北 極 熊 的 入 射 光 毛 色 情 形 實 驗 目 測 依 舊 可 發 現 顏 色 是 有 再 緩 緩 變 白 的 因 此 得 知, 北 光 極 熊 的 白 色 毛 髮 與 反 射 漫 射 光 的 數 值 並 無 相 關 性 在 此 可 做 個 判 斷, 北 極 熊 黑 色 皮 膚 的 原 因 為 既 然 透 明 色 毛 髮 所 構 成 的 反 射 白 光 不 會 影 響 陽 光 的 照 射, 因 此 變 演 化 為 易 吸 熱 的 黑 皮 膚 七 延 伸 模 擬 北 極 熊 的 毛 長 度 對 光 線 的 影 響 實 驗 : ( 一 ) 沿 用 70 根 一 束 的 釣 魚 線 束, 剪 短 後 觀 察 顏 色 變 化, 發 現 顏 色 會 緩 緩 變 白 ( 二 ) 即 便 顏 色 會 漸 白, 但 入 射 光 / 反 射 光 的 比 值 並 不 會 有 過 度 差 異, 可 知 北 極 熊 的 毛 長 度 並 不 影 響 反 射 漫 射 光 的 程 度 八 模 擬 不 同 色 光 對 北 極 熊 毛 的 影 響 : ( 一 ) 不 同 色 光 照 於 北 極 熊 毛 髮 上, 毛 髮 反 射 的 光 會 因 色 光 的 差 異 而 改 變 顏 色 ( 二 ) 選 用 三 原 色 紅 綠 藍 的 色 光, 觀 察 照 度 計 所 測 得 的 反 射 光 發 現 即 使 各 色 光 的 原 亮 度 不 同, 不 過 搭 配 上 入 射 光 / 反 射 光 的 比 值 相 比 較 下, 不 同 色 光 的 比 值 差 異 並 不 大 柒 結 論 經 過 了 我 們 多 次 的 反 覆 研 究, 探 討 光 的 各 種 特 性, 如 : 折 射 反 射 漫 射 在 我 們 的 實 驗 中, 包 括 利 用 塑 膠 袋 玻 璃 的 碎 片 等 等, 不 斷 的 堆 疊 並 且 分 布 平 均, 光 在 凹 凸 不 平 的 表 面 上 會 形 成 漫 射, 可 以 發 現 黑 色 的 區 域 漸 漸 被 白 色 遮 蔽 了 接 著, 我 們 以 北 極 熊 的 皮 毛 為 範 例, 製 作 出 一 個 模 擬 北 極 熊 皮 毛 的 模 型, 我 們 發 現 即 使 遮 蔽 物 為 透 明 無 色, 當 量 多 繁 複 交 雜 時, 依 我 們 的 視 覺, 能 夠 看 見 的 是 白 色, 而 不 是 底 層 的 漆 黑 所 以, 光 線 被 粗 糙 表 面 無 規 則 地 向 各 個 方 向 反 射 的 現 象, 反 射 後 的 光 線 向 各 個 方 向 分 散, 平 行 光 束 經 漫 反 射 後 不 再 是 平 行 光 束, 此 種 現 象 為 光 的 漫 反 射 漫 射 的 每 條 光 線 依 舊 需 遵 循 反 射 定 律 而 這 個 光 的 特 性, 也 是 與 我 們 這 次 實 驗 最 相 關 的 特 性 之 一 34

捌 參 考 資 料 及 其 他 一 中 文 部 分 ( 一 ) 周 鑑 恆 (2005) 折 射 與 反 射 刨 冰 的 顏 色 載 於 輕 鬆 學 物 理 的 第 一 本 書 (210-215 頁 ) 臺 北 市 : 如 何 出 版 社 二 網 路 資 源 ( 一 ) 北 極 熊 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2014 年 1 月 21 日, 取 自 : http://zh.wikipedia.org/wiki/%e5%8c%97%e6%a5%b5%e7%86%8a ( 二 ) 漫 反 射 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2014 年 1 月 23 日, 取 自 : http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%e6%bc%ab%e5%8f%8d%e5%b0%84 ( 三 ) 反 射 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2014 年 1 月 24 日, 取 自 : http://zh.wikipedia.org/wiki/%e5%8f%8d%e5%b0%84_(%e7%89%a9%e7%90%86% E5%AD%A6) 35

評 語 030114 1. 能 以 模 擬 的 方 式 進 行 科 學 探 究 活 動 頗 佳 2. 漫 射 原 理 的 實 際 應 用, 除 動 手 實 驗 外, 可 在 原 理 上 多 加 著 墨 3. 選 用 的 問 題 非 常 有 趣, 測 量 物 理 量 與 所 感 現 象 間 的 關 係 要 更 小 心 釐 清 4. 問 題 很 好, 也 可 以 用 釣 魚 線 實 作, 這 一 點 很 可 貴 030114- 評 語