主 題 五 : 光 的 本 質 與 光 的 直 進 性 一 光 學 理 論 的 發 展 1. 光 的 微 粒 說 : 牛 頓 提 出, 光 是 一 種 高 速 而 質 量 極 小 的 粒 子 這 種 粒 子 能 穿 過 透 明 的 物 質 ; 若 遇 到 不 透 明 物 體 時, 則 被 反 射 或

光的本質與光的直 光的本質與光的直進性 項少龍老師 項少龍老師

主 題 五 : 光 的 本 質 與 光 的 直 進 性 一 光 學 理 論 的 發 展 1. 光 的 微 粒 說 : 牛 頓 提 出, 光 是 一 種 高 速 而 質 量 極 小 的 粒 子 這 種 粒 子 能 穿 過 透 明 的 物 質 ; 若 遇 到 不 透 明 物 體 時, 則 被 反 射 或 吸 收 當 它 射 入 我 們 眼 睛 時, 能 刺 激 視 覺 神 經 而 產 生 視 覺 作 用 ( 微 粒 說 可 解 釋 光 的 直 線 進 行 反 射 折 射 ( 但 光 速 結 論 錯 誤 ) 獨 立 性 ) 2. 光 的 波 動 說 : 海 更 士 提 出, 亦 可 解 釋 光 的 反 射 折 射 直 線 進 行 獨 立 性 等 性 質, 但 還 能 解 釋 粒 子 說 所 不 能 解 釋 的 光 干 涉 與 繞 射 現 象 ( 光 波 亦 符 合 : v 3. 光 的 電 磁 波 理 論 : 馬 克 士 威 預 測 光 波 是 一 種 電 磁 波, 並 由 赫 茲 以 實 驗 證 實 4. 光 的 波 粒 二 象 性 : = f λ ) 光 的 電 磁 波 理 論 不 能 解 釋 光 電 效 應 實 驗, 故 愛 因 斯 坦 提 出 光 量 子 理 論, 並 進 而 提 出 光 兼 具 波 ( 不 需 介 質 傳 遞, 即 乙 太 不 存 在 ) 與 粒 子 的 二 重 性 質 ( 波 粒 二 象 性 ) 二 光 與 電 磁 波 1. 電 磁 波 譜 : 1

三 光 學 的 研 究 範 圍 1. 幾 何 光 學 : 利 用 光 在 均 勻 介 質 中 恆 沿 直 線 進 行 的 觀 點, 藉 幾 何 線 條 觀 念 來 描 述 光 的 現 象 ( 如 : 針 孔 成 像 反 射 折 射 ) 2. 物 理 光 學 : 利 用 光 為 波 動 的 觀 點 來 描 述 光 的 現 象 ( 如 : 干 涉 繞 射 ) 四 光 直 線 傳 播 的 實 例 1. 影 子 : (1) 本 影 : 不 透 明 體 後 方, 光 完 全 不 能 到 達 的 最 暗 部 分 (2) 半 影 : 不 透 明 體 後 方, 只 有 部 分 光 可 到 達 的 部 分 2. 針 孔 成 像 : 將 光 源 置 於 針 孔 前, 則 在 針 孔 後 的 光 屏 上 會 形 成 一 個 上 下 顛 倒 左 右 相 反 的 實 像 ( 如 : 烈 日 時, 濃 樹 蔭 下 的 地 面 出 現 的 無 數 的 小 圓, 且 日 蝕 時 小 圓 會 出 現 缺 口 ) 3. 日 蝕 與 月 蝕 : 日 偏 蝕 日 環 蝕 日 全 蝕 2

<~/~ 獵 殺 新 物 理 > 1. (1) 若 可 見 光 中 藍 光 的 波 長 為 5000Å, 求 其 頻 率 為 若 干 赫? (2) 飛 碟 電 台 發 射 電 波 頻 率 為 92.1 MHz, 則 其 波 長 為 若 干 m? 2. (1) 下 列 有 關 光 性 質 的 敘 述 何 者 正 確? (A) 光 波 需 介 質 來 傳 播 (B) 太 陽 光 與 電 視 台 發 射 的 電 磁 波 本 質 是 相 同 的 (C) 以 現 代 科 學 觀 點 而 言, 光 兼 具 粒 子 與 波 動 的 雙 重 性 (D) X 射 線 與 光 波 均 為 電 磁 波 (E) 在 真 空 中, 紅 外 光 速 度 較 紫 外 光 慢, 且 均 為 不 可 見 的 光 (2) 下 列 射 線 中, 何 者 為 電 磁 波? (A) 陰 極 射 線 (B) X 射 線 (C)α( 阿 爾 發 ) 射 線 (D)β ( 貝 他 ) 射 線 (E)γ( 加 馬 ) 射 線 日 大 3. (1) 下 列 哪 些 現 象 可 以 光 的 微 粒 說 解 釋 (2) 下 列 哪 些 現 象 可 以 波 動 說 解 釋 (a) 光 的 反 射 定 律 (b) 光 在 界 面 發 生 折 射 時, 光 行 進 方 向 的 改 變 (c) 干 涉 (d) 繞 射 4. 下 列 何 者 不 是 電 磁 波 的 一 種? (A) 微 波 爐 所 產 生 的 微 波 (B) 太 陽 所 發 出 的 可 見 光 (C) 人 體 所 發 出 的 紅 外 線 (D) 醫 院 裡 使 用 的 超 音 波 (E) 醫 院 裡 使 用 的 X 光 5. 下 列 哪 一 種 物 理 現 象 是 科 學 家 認 為 光 是 橫 波 的 理 由? <85 學 測 > (A) 光 的 干 涉 現 象 (B) 光 的 偏 振 現 象 (C) 光 的 折 射 現 象 (D) 光 的 繞 射 現 象 (E) 光 的 全 反 射 現 象 6. 陽 光 中 使 人 感 到 灼 熱 的 光 主 要 是 (A) 紅 光 (B) 紅 外 線 (C) 紫 光 (D) 紫 外 線 (E) 微 波 3

7. 平 靜 的 湖 面 上 常 可 看 到 湖 邊 建 築 或 樹 木 的 美 麗 倒 影, 但 在 有 浪 的 海 面 上 卻 只 能 看 到 海 浪 的 起 伏, 而 看 不 到 岸 邊 物 體 的 倒 影, 其 原 因 為 下 列 何 者? (A) 浪 濤 洶 湧, 容 易 造 成 色 散 (B) 海 水 中 含 有 鹽 分, 造 成 折 射 (C) 海 浪 使 海 面 不 平 坦, 造 成 漫 反 射 ( 漫 射 ) (D) 海 水 折 射 率 大 於 純 水 的 折 射 率, 造 成 全 反 射 (E) 海 面 遼 闊 無 邊, 容 易 使 岸 邊 物 體 的 影 像 全 部 透 射 入 海 中 <100 學 測 > 8. 甲 : 粒 子 說 和 波 動 說 對 於 光 的 直 進 反 射 和 折 射 皆 可 解 釋 ; 乙 : 粒 子 說 預 測 光 在 空 氣 中 之 速 率 要 比 在 介 質 中 快 ; 丙 : 波 動 說 是 牛 頓 提 出 來 的 ; 丁 : 粒 子 說 無 法 解 釋 干 涉 和 繞 射 現 象 對 於 光 的 粒 子 說 和 波 動 說 上 列 之 敘 述 有 哪 些 是 對 的? (A) 乙 丙 丁 (B) 甲 乙 丁 (C) 甲 丁 (D) 甲 乙 9. 我 們 可 以 將 下 列 哪 些 現 象 以 光 是 運 動 中 微 粒 的 觀 念 來 加 以 解 釋? (A) 物 體 後 方 的 影 子 現 象 (B) 光 經 過 狹 縫 後 的 繞 射 現 象 (C) 沙 漠 幻 影 (D) 針 孔 成 像 (E) 天 空 彩 虹 10. 微 波 爐 可 以 在 短 時 間 內 加 熱 食 物, 使 用 相 當 便 利, 其 價 格 也 愈 趨 便 宜, 在 現 今 的 家 庭 相 當 普 及 可 是 人 們 對 於 它 的 疑 慮 卻 也 多 過 其 他 的 家 電 產 品, 請 問 下 列 敘 述 何 者 正 確? (A) 微 波 爐 加 熱 原 理 和 電 磁 爐 加 熱 原 理 相 同 (B) 微 波 是 一 種 頻 率 比 X 射 線 還 高 的 電 磁 波, 因 此 可 以 快 速 加 熱 食 物 (C) 微 波 和 超 音 波 相 同, 均 不 需 要 靠 介 質 傳 播 (D) 微 波 和 可 見 光 在 真 空 中 的 傳 播 速 度 相 同 (E) 人 們 對 於 微 波 爐 的 疑 慮 是 因 為 微 波 會 像 γ 射 線 一 樣 具 有 強 輻 射, 會 在 食 物 中 殘 留 放 射 性 物 質 11. 下 面 有 關 紅 外 線 與 紫 外 線 的 敘 述, 何 者 錯 誤? (A) 都 是 不 可 見 光 (B) 都 能 夠 折 射 (C) 都 能 夠 反 射 (D) 都 能 造 成 明 顯 的 熱 作 用 與 化 學 作 用 (E) 都 能 在 真 空 中 傳 播 4

12. 有 關 於 光 譜, 下 列 何 者 正 確? (A) 我 們 人 類 可 以 看 見 的 可 見 光 波 長 約 介 於 3800 至 7700 埃 之 間 (B) 可 見 光 光 譜 占 整 個 電 磁 波 波 譜 很 大 的 比 例 (C) 能 量 愈 大 的 光, 其 光 速 愈 快 (D) 紅 色 的 雷 射 光 是 一 種 紅 外 線 (E) 微 波 波 長 較 可 見 光 為 長 13. 下 列 有 關 電 磁 波 的 敘 述, 何 者 正 確? (A)β 射 線 和 γ 射 線 都 不 是 電 磁 波 (B) 可 見 15 光 的 頻 率 數 量 級 約 為 10 Hz (C) 雷 射 光 是 一 種 能 量 比 X 射 線 高 的 電 磁 波 (D) 在 真 空 中, 無 線 電 波 與 α 射 線 的 速 度 是 一 樣 的 (E) 若 電 磁 波 中 的 電 場 振 動 方 向 在 x 軸, 磁 場 振 動 方 向 在 y 軸, 則 電 磁 波 的 前 進 方 向 在 z 軸 14. 下 列 何 者 不 會 產 生 電 磁 輻 射? (A) 通 交 流 電 的 導 線 (B) 電 子 在 一 直 線 來 回 振 動 (C) 質 子 作 減 速 度 運 動 (D) 原 子 中 的 電 子 繞 原 子 核 作 圓 周 運 動 (E)α 粒 子 在 磁 場 中 作 螺 旋 線 運 動 15. 張 三 與 他 的 兒 子 分 別 站 立 於 一 面 牆 的 兩 邊, 如 右 圖 所 示 若 要 在 牆 上 開 一 個 窗 子 使 兩 人 彼 此 都 能 看 到 對 方 的 全 身, 則 所 需 的 最 小 窗 子 的 位 置 應 為 下 列 何 者? (A) ae (B) ad (C) be (D) bd (E) cd 89 學 測 16. 右 圖 為 點 光 源 發 光 時, 在 白 紙 屏 上 形 成 影 子 的 實 驗 : (1) 若 影 子 面 積 為 障 礙 物 的 n 倍, 則 紙 屏 到 光 源 距 離 為 障 礙 物 在 光 源 距 離 的 倍 (2) 若 火 星 到 太 陽 距 離 為 地 球 到 太 陽 距 離 的 3 倍, 則 垂 直 照 射 到 地 球 表 面 1 m 2 的 陽 光, 若 垂 直 照 到 火 星 表 面, 則 可 分 佈 到 m 2 上 5

17. 針 孔 成 像 實 驗 中, 高 10 cm 的 蠟 燭 置 於 針 孔 前 20 cm 處, 則 在 距 燭 火 50 cm 處 的 紙 屏 上 所 得 之 蠟 燭 像 高 為 若 干? 像 是 正 立 或 倒 立? 此 現 象 可 證 明 光 傳 播 的 何 種 性 質? 18. 將 一 個 一 元 小 銅 板 貼 在 窗 戶 的 玻 璃 上, 用 一 隻 眼 睛 看 它, 當 它 剛 好 將 滿 月 的 月 亮 完 全 遮 住 時, 眼 睛 和 銅 板 的 距 離 約 為 220 公 分 已 知 銅 板 直 徑 約 為 2.0 公 分, 月 球 直 徑 約 為 3.6 10 3 公 里, 則 月 球 與 地 球 的 距 離 約 為 多 少 公 里? 91 學 測 19. 下 圖 為 某 天 發 生 日 全 蝕 時 太 陽 地 球 月 球 相 對 位 置 的 示 意 圖 ( 未 按 比 例 繪 製 ), 甲 乙 丙 丁 四 點 分 別 代 表 在 地 球 上 四 個 不 同 的 位 置 試 問 當 時 住 在 地 球 上 哪 一 個 位 置 的 人 最 有 可 能 觀 察 到 日 全 蝕? (A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 丁 (E) 北 極 94 學 測 20. 右 圖 為 以 太 陽 作 光 源, 地 球 和 月 球 在 一 個 月 中 相 對 位 置 關 係 的 示 意 圖 ( 未 按 比 例 繪 製 ), 地 球 和 月 球 上 的 白 色 區 域 代 表 受 光 面, 黑 色 區 域 代 表 背 光 面 甲 乙 丙 丁 四 點 分 別 代 表 在 一 個 月 中 月 球 與 地 球 相 對 的 四 個 位 置 試 依 據 右 圖 回 答 下 列 各 題 : (1) 根 據 歷 史 記 載, 唐 朝 人 為 中 秋 節 的 月 亮 各 取 了 個 名 字 叫 做 端 正 月 試 問 端 正 月 那 一 天, 月 球 應 該 在 圖 中 的 哪 一 個 位 置 上?(A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 丁 (2) 台 灣 地 區 的 人 在 2005 年 10 月 17 日 晚 間, 可 看 到 難 得 一 見 月 偏 食, 當 天 月 球 應 該 在 圖 中 的 哪 一 個 位 置 中?(A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 丁 6

21. 某 生 的 身 高 為 180cm, 夜 間 行 經 一 路 燈 附 近 時, 發 現 自 己 不 管 站 在 何 處, 自 己 在 燈 下 的 影 子 長 度 總 是 和 本 身 距 路 燈 桿 之 間 的 距 離 相 等, 則 路 燈 離 地 的 高 度 為 若 干? 22. 光 直 線 前 進 的 原 理, 可 用 來 說 明 下 列 的 哪 些 現 象?( 應 選 兩 項 ) (A) 月 食 (B) 影 子 的 邊 緣 是 模 糊 的 (C) 街 燈 下 的 人 影 (D) 打 雷 閃 電 時, 會 先 看 到 閃 電, 再 聽 到 雷 聲 93 學 測 23. 一 九 四 五 年 十 二 月 二 十 五 日 友 子, 太 陽 已 經 完 全 沒 入 了 海 面, 我 真 的 已 經 完 全 看 不 見 台 灣 島 了, 你 還 站 在 那 裡 等 我 嗎? 第 三 天, 該 怎 麼 克 制 自 己 不 去 想 你, 多 希 望 這 時 有 暴 風 十 二 月 的 海 總 是 帶 著 憤 怒 傍 晚, 已 經 進 入 了 日 本 海 記 得 你 才 是 中 學 一 年 級 小 女 生 時, 就 膽 敢 以 天 狗 食 月 的 農 村 傳 說, 來 挑 戰 我 月 食 的 天 文 理 論 嗎? 遇 見 了 要 往 台 灣 避 冬 的 烏 魚 群 友 子, 我 已 經 平 安 著 陸, 七 天 的 航 行, 我 終 於 踩 上 我 戰 後 殘 破 的 土 地 祝 你 一 生 永 遠 幸 福! 根 據 本 文 : <98 學 測 > (1) 天 文 理 論 中, 月 食 發 生 的 主 要 原 因 為 何? (A) 太 陽 的 影 子 把 月 球 遮 住 了 (B) 地 球 的 影 子 把 月 球 遮 住 了 (C) 月 球 的 影 子 把 太 陽 遮 住 了 (D) 月 球 的 影 子 把 地 球 遮 住 了 (E) 月 球 被 雲 遮 住 了 (2) 此 一 由 台 灣 出 發 到 日 本 的 航 程, 跨 越 的 經 度 與 緯 度 大 約 分 別 為 15 與 10 已 知 地 球 赤 道 的 周 長 約 4 萬 公 里, 則 此 船 的 速 度 在 由 南 往 北 的 分 量, 平 均 約 為 多 少 公 里 / 時? (A)7 (B)21 (C)42 (D)70 24. 某 人 將 一 發 光 玩 偶 置 於 紙 箱 外 徑 由 紙 箱 壁 上 針 孔 進 行 成 像 實 驗, 如 右 圖 所 示, 其 於 紙 箱 內 壁 上 所 得 到 的 成 像 性 質 為 下 列 何 者? (A) 倒 立 實 像 左 右 相 反 (B) 倒 立 實 像 左 右 相 同 (C) 倒 立 虛 像 左 右 相 反 (D) 倒 立 虛 像 左 右 相 同 發 光 玩 偶 玩 偶 的 像 25. 小 華 透 過 護 目 鏡 直 接 仰 望 觀 測 日 食, 發 現 日 偏 食 的 缺 角 在 西 北 方 當 時 小 華 低 頭 摘 下 護 目 鏡, 看 見 地 上 樹 蔭 中 有 小 小 的 日 食 光 影 下 列 何 者 為 樹 蔭 中 的 日 食 光 影 缺 角 的 方 位? (A) 東 北 (B) 東 南 (C) 西 北 (D) 西 南 (E) 光 影 無 缺 角 <99 學 測 > 7

<~*~ 試 題 簡 答 > 1. (1) 14 6 10 ( Hz) (2)3.26( m ) 2. (1)(B)(C)(D) (2)(B)(E) 3. (1) a b (2) a b c d 4. (D) 5. (B) 6. (B) 7. (C) 8. (C) 9. (A)(D) 10. (D) 11. (D) 12. (A)(E) 13. (B)(E) 14. (D) 15. (D) 16. (1) n (2)9 5 17. h = 15( cm) ; 倒 立 ; 直 進 性 18. 3.96 10 ( km) 19. (B) 20. (1)(A) (2)(A) 21. 3.6m 22. (A)(C) 23. (1)(B) (2)(A) 24. (A) 25. (B) <~,~ 試 題 解 析 > 1. (1) f 8 v 3 10 = = = 7 λ 5 10 Hz 14 6 10 ( ) 8 v 3 10 (2) λ = = 3.26( m) 7 f 9.21 10 2. (1) (A) 不 需 介 質 (E) 真 空 中, 一 樣 快 (2) (A) 電 子 (C) He 的 原 子 核 (D) 電 子 4. (D) 超 音 波 為 頻 率 大 於 20000 Hz 之 聲 波 5. 橫 波 才 有 偏 振 現 象 6. 紅 外 線 可 產 生 熱 的 感 覺, 又 名 熱 射 線 7. 平 靜 的 湖 面 較 平 坦, 物 體 的 像 經 反 射 後 較 清 晰, 但 在 有 浪 的 海 面, 浪 使 得 海 面 不 平 坦, 容 易 形 成 漫 反 射 ( 漫 射 ), 而 看 不 清 物 的 倒 影 8. 乙 : 粒 子 說 預 測 光 在 介 質 中 的 速 度 快 於 真 空 丙 : 波 動 說 為 惠 更 斯 提 出 9. (B) 繞 射 為 波 的 性 質 (C) 沙 漠 幻 影 為 波 的 全 反 射 所 造 成 (E) 彩 虹 為 光 經 過 水 珠 後 因 折 射 率 不 同 所 造 成, 且 各 種 色 光 的 折 射 率 與 波 長 有 關 8

10. (A) 微 波 是 以 電 磁 波 ( 提 供 能 量 ) 使 水 分 子 震 動 來 加 熱 ; 而 電 磁 爐 則 是 利 用 電 磁 感 應 形 成 渦 電 流 來 加 熱 (B) 微 波 頻 率 低 於 ( 即 能 量 低 )X 射 線 ( 不 然 你 敢 用 微 波 爐 嗎 ~) (C) 超 音 波 為 力 學 波 ( 機 械 波 ), 需 介 質 傳 遞 (E) 人 們 擔 心 的 部 分 是 在 於 擔 心 微 波 會 被 人 體 吸 收, 而 不 是 殘 留 在 食 物 內 11. 紅 外 線 易 被 皮 膚 吸 收 而 造 成 熱 效 應, 紫 外 線 被 皮 膚 吸 收 後 會 使 皮 膚 產 生 化 學 反 應, 因 而 曬 傷 或 變 黑 12. (B) 所 佔 之 比 例 甚 小 (C) 光 在 真 空 中 的 波 速 為 定 值, 與 能 量 大 小 無 關 (D) 紅 色 雷 射 光 ( 雷 射 筆 ) 亦 為 可 見 光, 但 紅 外 線 雷 射 為 不 可 見 光 13. (A) β 射 線 為 電 子, 而 γ 射 線 為 高 能 量 的 電 磁 波 (B) 可 見 光 的 波 長 約 為 4000 A o ~7000 A o,v = f λ, 可 計 算 出 可 見 光 的 頻 率 約 為 14 14 4.3 10 ~ 7.5 10 Hz, 故 數 量 級 約 為 10 (C) 雷 射 光 為 可 見 光, 頻 率 低 於 X 光, 故 能 量 低 於 X 光 (D) α 射 線 為 He 的 原 子 核, 非 電 磁 波, 故 速 度 小 於 無 線 電 波 ( 電 磁 波 ) (E) 電 場 振 動 方 向, 磁 場 振 動 方 向, 電 磁 波 前 進 方 向 三 者 兩 兩 垂 直 15 14. (D) 原 子 中 的 電 子 繞 原 子 核 作 圓 周 運 動, 其 能 量 為 一 穩 定 狀 態 ( 與 量 子 化 有 關 ), 故 電 子 在 同 一 軌 道 繞 行 並 不 輻 射 電 磁 波 15. 16. (1) na d ' 2 d ' 由 相 似 形 : = ( ) = n ( 倍 ) A d d 9

(2) 由 相 似 形 : A 1 3d d 2 2 = ( ) A = 9 ( m ) 17. 由 相 似 形 : 10 h = h = 15( cm), 20 30 且 為 倒 立 像, 可 證 明 光 的 直 進 性 10cm 20cm 30cm 220 d 18. 由 相 似 形 : = 3 2 3.6 10 5 d = 3.96 10 ( km) 220cm 2cm d = 月 地 距 3 3.6 10 km 19. 日 月 影 區 可 見 日 全 蝕 20. (1) 端 正 月 : 月 亮 整 個 亮 面 對 著 地 球 P. S. 滿 月, 月 蝕 相 對 位 置 皆 為 日 地 月, 差 別 在 於 角 度 的 偏 差 21. x 180cm l l l 2l 由 相 似 三 角 形 可 得 = x = 3.6( m) 1.8 x 10

22. (B) 影 子 邊 緣 是 模 糊 的 主 要 是 因 為 繞 射 效 應, 本 效 應 在 新 教 材 中 並 不 強 調 (D) 只 代 表 光 速 大 於 聲 速, 故 選 (A)(C) 23. (1) 月 食 為 : 日 - 地 - 月, 所 以 是 地 球 的 影 子 把 月 球 遮 住 了, 選 (B) (2) 因 為 一 週 為 360 度, 所 以 跨 越 緯 度 10 度 是 週 長 的 1/36, 故 南 北 方 向 位 移 為 40000/36=1111.11 km, 而 經 過 時 間 為 24*7=168 小 時, 所 以 時 速 約 為 1111.11/168=6.61 約 7 km/hr, 選 (A) 24. 針 孔 成 像 之 性 質 為 上 下 顛 倒, 左 右 相 反 之 實 像 25. 樹 蔭 的 成 像 即 為 針 孔 成 像, 所 得 之 像 為 一 左 右 相 反 上 下 顛 倒 之 實 像, 故 缺 角 應 在 東 南 方 11