物理

自然科學 ( Natural Science〉與社會科學〈Social Science〉的實驗

自然科學 ( Natural Science〉與社會科學〈Social Science〉的實驗
國立台南第一高級中學二年級陳奕廷/國立台南第一高級中學物理科王俊乃教師修改

在某些科學領域中,例如物理、化學,科學家要達到實驗的要求比較容易也就是各項測量需客觀且準確,而且可以控制實驗的變因在實驗的過程中保持不變。但另一方 面,在生物及醫學這類科學領域,實驗過程中不易確定各項便因是否維持穩定不變。對於社會科學的實驗而言,要確定實驗結果的判定方法是否客觀是一個困難之處。

太陽電池填充因子(Full Factor)的測量

太陽電池填充因子(Full Factor)的測量
高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢教師

(一)實驗目的
實驗得出太陽能板開路電壓Voc與短路電流Isc的值之後,找出在不同電阻的負載下之最大功率Pm,並利用FF=Pm/IscVoc求得填充因子FF。

太陽電池能隙 〈Energy Gap〉測量

太陽電池能隙 〈Energy Gap〉測量
高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢教師

(一)實驗目的
了解太陽能電池材料能隙的大小。

(二)儀器設備
(1)非晶型太陽能板、(2)濾光片(波長:黃540nm、橘580nm、紅640nm)、(3)單槍投影機、(4)暗箱、(5)安培計、(6)電線、(7)鱷魚夾、(8)電腦

傳輸介質 (Transmission Medium)

傳輸介質 (Transmission Medium)
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

傳輸介質是一種能夠傳導能量波動的物質(固體、液體、氣體)。例如,聲波透過空氣傳送到耳朵,但是固體和液體也能作為傳送聲波的傳輸介質。

即使沒有介質(如真空空間),電磁波如光波和無線電波也能夠傳導。如電磁波不需要傳輸介質做傳導的波,傳輸介質反而常會影響波的傳導,可能會在介質界面被吸收、膨脹或折射。

有些高科技儀器也是利用傳輸介質來傳送波,如光纖和電纜。

波〈Wave〉的基本性質

波〈Wave〉的基本性質
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

波是一種隨時間在空間中傳播的干擾,通常會轉移能量。電磁波(或許重力波)可不需介質在真空中傳播;力學波則只能在介質中傳播。當波從一點傳播能量至另一點時,通常會有些許或完全沒有粒子產生永久位移,大部分的粒子都是在固定的位置振動。

波可被定義為在一個質點附近反覆振盪的運動,但是一個波的必要且充分的定義至少是彈性,它常被直接解釋為在空間中傳播的擾動,而不是介質在空間中的運動。波的能量在介質中以擾動的形式遠離波源,但這不適用於能量在雙方向移動的駐波,或不需要介質,能在真空中傳播的電磁波。

因此波動理論是物理學獨特的一環,波傳播的特性和波源本身無關,其獨特性在於,當我們在描述某一種波的傳遞時,此波源的獨立性和波源的種類有很大的關係,如:聲學不同於光學在於聲波為機械波,而非伴隨著能量變換的電磁波,因此如質量、動量、慣性或彈性等,這些因素將會影響聲波的傳遞,也說明介質的特性會影響某些波的特質,如空氣中漩渦、輻射壓、衝擊波等;固體中瑞利波、色散等。

電漿的溫度〈Temperatures〉

電漿的溫度(Temperatures)
國立台南第一高級中學二年級阮鏞蔘/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

電漿溫度常常是以凱氏溫標kelvins或是電子伏特electronvolts來量度,同時也是每個粒子作熱運動能量的非正式測量。就算在馬克士威能量分 布方程式中發現有明顯差異,好比處於紫外線、高能粒子或是強大電場的影響下,電子間依然幾近於熱平衡thermal equilibrium,而可以被相對完整的測量溫度。由於質量尺度的巨大差異,電子自己達到熱力學平衡的速度,遠比與離子或中心原子一起達到平衡的速度 快。根據這個因素,”離子溫度”(通常較低)與”電子溫度electron temperature”迥然不同。這在弱電離技術的電漿更是常見,離子此時常常是接近周圍溫度。

根據電子、離子與中性粒子的溫度差異分類,電漿可區分為”熱體(thermal)”或是”非熱體(non-thermal)”兩種。熱體電漿擁有相同溫度的電子和重粒子注兩者是熱平衡。非熱體電漿則是有低溫的(通常是室溫)離子與中性粒子,與溫度較高的電子。

電漿的定義〈Definition of Plasma〉

電漿的定義(Definition of Plasma)
國立台南第一高級中學二年級阮鏞蔘/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

電漿常被描述為帶正負電粒子的電中性物質,但是仍然有三個準則。

1. 似電漿的物質: 帶電粒子間必須彼此非常接近而足以影響旁邊許多帶電粒子,而非僅僅是與其最靠近的粒子有互動(這些共同效應是電漿中極為特別的特性)。電漿近似物在一些特 定粒子的巨大影響範圍內是有效的。(這個範圍叫做Debye sphere,而該半徑就是德拜屏障長度”Debye screening length”)在Debye sphere內的平均粒子數被稱做電漿參數”Λ”(希臘字Lambda)。

2. 容積相互作用Bulk interactions: 德拜屏障長度(同上述定義),相較於電漿的體積是比較小的。這個依據顯示,在電漿體積內的相互作用,比在邊緣會產生的邊界效應重要。

雷射〈Laser〉概論

雷射(Laser)概論
國立台南第一高級中學二年級黃政翰/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

雷射是一種會釋放同調光的光電裝置。”雷射”(LASER)一詞是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫。雷射會釋放出有窄波段光譜(單色光)且低發散的光束。雷射光與會發散較廣,且長波段光譜的非同調光(與本身不同相)熾熱電燈泡,以及非同調的 LED光有著極大的不同。

1960年5月16日,Theodore Maiman在Hughes研究實驗室首先展示雷射的運用。從那時起,雷射變成了有數十億產值的工業。雷射最被廣泛運用在CD以及DVD等等的光學儲存裝置,它以幾厘米的大小掃描光碟片的表面。另外較普遍的應用是條碼辨識機、雷射印表機以及雷射指示器。

雷射〈Laser〉的設計〈Design〉

雷射(Laser)的設計(Design)
國立台南第一高級中學二年級王昱哲/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

一台雷射包含了雷射增益介質gain medium,該介質放置在其高度反射的光學諧振腔裡,並且提供雷射增益介質能量。雷射增益介質能以受激發射stimulated emission的方式,增強光的能量。共振腔的最簡形式包含了兩片反射鏡,這兩片反射鏡促使光在雷射增益介質兩旁來回穿梭。通常其中一片玻璃是部份透明,雷射則是由這個鏡子射出。

某特定波長的光穿過雷射增益介質,光的能量會被加強,四周的鏡子可以確保大部份光線會反覆穿越雷射增益介質,以助重複增強光的能量。在鏡子間(位於共振腔內)某一部份的光會穿過部份透明的鏡子,並射出一光束。

雷射的專門用語〈Terminology〉

雷射的專門用語(Terminology)
國立台南第一高級中學二年級王昱哲/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

Laser (light amplification by stimulated emission of radiation)一詞源自於利用輻射的受激放射,使光波增強,文中所提到的光若是以較廣義的角度來定義,包含了所有具有電磁能 electromagnetic radiation的各種類光量子,並非侷限於可見光波。因此,紅外線雷射、紫外線雷射、X光雷射……等皆包含於其中。因為微波尺度的雷射光被發現, 又稱為maser,所以通常稱可發射微波與無線電波的微波發射器為maser。早期的文獻記載中,特別像是從Bell電話實驗室的研究人員常將雷射稱為maser。但此說法並未被廣泛使用,即使今日的Bell研究室也採用雷射一詞。

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