- 電子槍（Electron Gun） 2009/09/18
電子槍（Electron Gun）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂的電子槍，是一種能夠產生電子束的的裝置，大部分是應用在早期的電視、監視器等等這類需要用到陰極射線管的裝置，另外，像電子顯微鏡、粒子加速器(例如迴旋加速器)等，電子槍都扮演著重要的角色。
電子槍內部有一個鎢絲線圈，當電流流經線圈時，線圈會被加熱，當線圈上的電子接收到的熱能超過電子的束縛能，電子便會被激發而跑到線圈的外部，此時，若給予一個靜電場，我們知道，正電荷在靜電場中的運動行為，若初速度方向平行電場方向，正電荷會受到平行速度方向的電力作用，往前加速，若正電荷是靜止的，在靜電場中便會沿著電力線運動，因此，我們所給的電場會選擇兩平行金屬板所造成的電場(在忽略邊緣效應的情況下，電力線皆均勻分布且互相平行)，才能確保所有電子均往同方向移動，在此因為被激發出的是帶有負電的電子，故給予的電場，在線圈處為負極。這些被加速的電子，會形成一電子束，最後會通過一個金屬閘門，藉此，我們需要的電子束變會通過閘門，而不需要的部份會被金屬吸收，藉由調整閘門的大小便能選擇電子束的粗細。
若將這些高速移動的電子打在某個物體上，撞擊時，其電子移動的動能，會迅速轉變成熱能，電子移動的速度越快，轉變的熱能就越多，因此，在許多工業上都會使用電子束焊接。而這項特性後來被運用發展成一套電子槍蒸鍍系統，其也是將電子束打在材料上，材料會受到高溫直接昇華成氣態分子，最後這些分子在被鍍物上凝結，形成一層薄膜。
在應用方面，如電子顯微鏡，就是利用電子束來展示觀察物的表面或內部，透過磁透鏡讓電子束聚焦，不同於光學透鏡，電子透鏡的焦點是可以移動的，因此，不用調節透鏡的距離來觀察物體。
- 陰極射線 2009/09/18
陰極射線 (Cathode Ray)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯陰極射線又稱為電子束 (electron beam)，它能在真空管內觀察到的電子流的行為，真空管內裝載著陰陽兩個電極（陰極為會發生還原反應的電極，陽極則是會發生氧化反應的電極）。如下圖所示，此陰極射線管稱為克魯克斯管(Crookes tube)，其中A是一個能提供能量來加熱C處的低壓電源，B是一個可為陽極P提供電壓的高壓電源，P是覆有磷粉的磷光板，M則是一塊金屬板，其電位與A相同。
現在若將陰極處加熱，陰極變會釋放出電子，其電子會如射線一般射向陽極，其中，打到M處的電子會被吸收，其他沒有被金屬M擋住的電子，將會打在P處，P處的上的磷粉便會和電子反應而發光，因此產生了金屬M的陰影部份。此現象證明了電子在真空中的確是作直線運動，而此電子射線則被稱為陰極射線。
所謂的陰極射線管 (Cathode ray tube，CRT)，也是根據陰極射線之原理發明的。我們知道，帶電粒子在磁場中運動，且粒子之速度方向垂直磁場，磁場會給予一垂直粒子速度之磁力，我們可將此磁力視為粒子的向心力，粒子受到此法線力作用，便會開始作等速率圓周運動。藉此，若我們在陰極射線中架設一個垂直電子束運動方向的磁場，便可藉由操縱此磁場的大小，來改變電子打中磷光板的位置。
在早期，我們只能調整顯示螢光板的光線強弱，故早期的CRT電視是黑白的畫面。後來發展出的彩色CRT技術，則是利用紅、綠、藍三支電子槍同時發射電子，這些電子和磷化物發生反應而產生顏色，許多彩色的色點組合在一起就形成了彩色的CRT。
因為讓電子加速與偏轉的陰極射線管需要不小的空間，使得那些螢幕顯得非常笨重且佔空間，因此現在人們幾乎不再使用CRT技術所製成的電視或電腦螢幕，大部分都改用體積輕巧且節省能源的LCD顯示器了。
- 駐波（Standing Wave） 2009/09/18
駐波（Standing Wave）
國立臺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吳仲卿教授責任編輯駐波，顧名思義，就是常駐空間某區域之波動，或者說是靜態(stationary wave)的波動。駐波的現象之所以會發生，可能是因為在原本靜止的介質，有兩個波動往相反的方向行進，兩波動相遇干涉後就產生駐波。在上述狀況下，如果兩個波動的振幅相同，則駐波的平均傳播能量就等於零，也就是不會有能量往外傳播。其中，共振腔(resonators)裡的駐波，就是共振(resonance)現象的例子之ㄧ。
在繩子(strings)，或者是空氣柱(columns of air)等物質中，可以觀察到駐波的現象。在上述物質中產生一個行進波，當行進波傳播至邊界，反射波會往反方向行進。繩子或者是空氣柱，皆各自存在有其數個自然振動頻率，具有自然振動頻率的反射波就干涉形成了駐波。在彈奏樂器時，由樂器產生的駐波，就是該樂器的一組諧和音(harmonics)。駐波的節點(Nodes)發生在固定端，反節點(anti-nodes)則發生在開放端。如果只有一個固定端，則駐波就僅能夠存在奇數(odd-numbered)的諧和音。一個具有開放端的管子，駐波的反節點並不會恰好在開放端口。
在光學領域裡，利用光波導管(optical wave guides)，或者是光學腔(optical cavities)，也可以產生光的駐波。例如在光學腔裡，在一端產生光波並且往另一端發射，然後設法讓該光波行進至另一端產生反射，則持續發射的光波會與反射光相互干涉，形成一個駐波的區域。
- 震波（Shock Wave） 2009/09/18
震波（Shock Wave）
國立臺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吳仲卿教授責任編輯震波也稱為震波波前(shock front)，就如同一般的波動，震波攜帶能量，在固、液、氣等三態物質中傳播，稱之為介質。震波也可以不需要憑藉物質，經由電磁場(electromagnetic field)就可以傳播能量。當震波通過，觀察者會發現到介質的壓力、溫度、密度，皆會即時迅速地增加。
例如，當一物體以超過當時空氣中聲速的速率通過一位觀察者，觀察者會發現到空氣中的壓力隨時間的變化如圖所示。飛行物的前端會產生震波，當震波傳播至觀察者，則會測量到壓力迅速地增加，然後測量到的是一般經由擴散傳播的波動。
震波屬於一種非線性的波動，隨著傳播的距離增加，震波的能量會迅速消散。此外，震波也會對於飛行物體產生額外的拖曳阻力(drag force)。
飛行物在飛行過程，週遭的流體受到擾動而產生波動，當飛行物的飛行速率比波動的傳播速率較快，在波的擾動到達之前，靠近擾動的流體介質是無法有所反應的。在震波的情況中，流體的諸多性質幾乎是在擾動到達之後，突如其來地的發生變化，這些性質包括：流體的密度、壓力等等。
- 氫原子的波函數（Hydrogen Wave Function） 2009/09/18
氫原子的波函數（Hydrogen Wave Function）
國立臺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吳仲卿教授責任編輯在量子力學(quantum mechanics)的領域裡，通常使用波函數作為描述任何一個物理系統的工具。波函數利用複數(complex numbers)的數學方式，描繪物理系統可能發生的狀態。 Continue reading →
- 基頻 (Fundamental Frequency) 2009/09/18
基頻 (Fundamental Frequency)
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基音，通常縮寫為 $$f_0$$，是泛音系列裡的最低頻率。
一個週期訊號的基頻(也稱為自然頻率)是其音調週期的倒數，音調的週期是訊號裡的最小重複單位，所以音調的週期可以完整的描述週期的訊號。由於音調是最小的單位，所以它可以解釋二或多個連續重覆音調週期的訊號，然而連結的訊號也包含了多餘的訊息。 Continue reading →
- 風波（Wind Wave） 2009/09/18
風波（Wind Wave）
國立臺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吳仲卿教授責任編輯在流體動力學(fluid dynamics)裡，由風產生的波動，意指在海面、湖面、甚至是小池塘等水面，因為風吹過，而在水的表面產生的表面波(surface waves)。發生表面波的原因，通常是因為風吹過具有極大彈性(stretch)的流體表面所致。甚至在海洋傳送的表面波，在到達陸地之前，還可以行進高達數千英里(thousands of miles)。表面波可以小至漣漪(ripples)，甚至也可以巨大到如猛獸般的大海浪(rogue waves)。表面波除了會往前傳送巨大的能量，事實上傳送表面波的水分子也有些微往前運動(forward motion)的情況。
如果產生表面波的物理系統是直接受到區域性的風影響，則該物理系統稱之為風域(wind sea)。當風停止吹送，此時的表面波就稱之為swell。事實上，swell就是不因為當時的區域性風吹送所產生的表面波，它可能是由別處的區域性風所產生的，或者是更早之前產生的。在海洋，因為風吹送產生的波動，又稱之為海洋表面波(ocean surface waves)。
海嘯(Tsunamis)並不是因為風吹送產生的波動，而是由於地質變動影響所致的。在較深的水域，海嘯因為高度較低，而且波長較長，所以並不容易看見。但是當水面減低時，例如岸邊，則海嘯的高度會急遽遞增大。
- 重力波（Gravitational Wave） 2009/09/18
重力波（Gravitational Wave）
國立臺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吳仲卿教授責任編輯在物理領域裡，重力波意指時間與空間的曲率(curvature)產生擾動(fluctuation)，而且擾動的傳播行為與波類似，也會從一個擾動的來源(source)往外傳送。根據愛因斯坦的廣義相對論預測，重力波傳送能量的行為稱之為重力輻射(gravitational radiation)。重力波的波源種類包含由白矮星(white dwarfs)、中子星(neutron stars)、或者是黑洞(black holes)等所組成的雙星(binary star)系統。
隨然尚未能夠直接證明重力波的存在，但是根據一些間接的現象，也表現了重力波的確是存在的。1993年的諾貝爾物理獎，就是頒發給和重力波研究有相關的Hulse-Taylor 雙星系統量測。在1974年，普林斯頓大學的Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr.共同發現稱之為PSR B1913+16的中子星，該中子星和另一個星球共同組合成一個雙星系統。
想像一個非常平整的時空，有一群靜止的粒子平躺在該時空中。當一個極微弱的重力波到達，重力波沿著一條與時空平面垂直的直線通過粒子。粒子會以十字(cruciform)的方式振動。由粒子圍起來的區域並沒有任何改變，而且粒子也不會在重力波傳播方向有任何的運動。
- 基頻 (Fundamental Frequency) 2009/09/18