物理

紅外線溫度計〈infrared thermometer〉

紅外線溫度計(infrared thermometer)
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

「紅外線溫度計」,乃利用物體所產生的黑體輻射量測量溫度,若同時利用雷射協助確定量測區域,有時也稱做雷射溫度計(laser thermometer),因為紅外線溫度計的量測過程不需要直接接觸被測物體,有時稱做非接觸性溫度計(有些溫度計必須直接接觸物體,如水銀溫度計、熱電偶溫度計)。紅外線溫度計藉由溫度計中的感測器,得知物體發出紅外線輻射的量與發射係數(emissivity),即可得知物體的溫度。

紅外線溫度計的基本元件包含聚焦用的透鏡,將待測物體的紅外線聚集在感應器上,並將紅外線的相關資料轉變成電子訊號,因為周圍環境也會輻射紅外線,溫度計必須針對室溫的變化進行調節,且考慮不同物質的發射係數後,將電子訊號放大後顯示溫度測量結果。

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝二﹞

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝二﹞
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

MLI 中不同隔熱層之間可以無限制的靠近,只要之間沒有直接的熱接觸,導致熱傳導或對流的發生。為了減少薄膜的厚度與重量,薄膜內每一層盡量做薄、且對於熱輻射必須做到不透明(熱輻射無法穿透)。因為薄膜強度不需太大,因此常使用極薄、厚度約六微米左右的塑膠材質,如聚酯薄膜或聚酰亞胺膠帶,並在其中一面覆上金屬薄膜,提高反射率,最常用的金屬是銀。為了減少厚度,層與層之間必須盡量靠近,但接觸面不能太大以免產生熱傳導與對流,因此每一層會有部分突出或製造波紋,或者在層與層中間加上網子,藉此減少每層之間的接觸點。而最外層則使用較厚的塑膠材料以提供支撐,並且可加上更強韌的玻璃纖維進行強化。

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝一﹞

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝一﹞
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

多層隔熱膜(或簡稱MLI)是利用多層薄膜組成以進行隔熱。主要功能在於減少因為熱輻射所導致的熱量損失,對於熱傳導與對流造成的熱損失,相較之下,功能較 差。因此,MLI較常使用在衛星或應用在真空環境中,因為這樣的環境中,熱輻射是主要的熱傳遞方式,熱傳導與對流較不明顯。MLI常以金箔的形式出現在許 多衛星(如華衛二號)表面與太空探測中。

卡諾循環 〈Carnot Cycle〉

卡諾循環(Carnot Cycle)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

卡諾循環由法國工程師卡諾於1824年提出,依卡諾循環操作的引擎稱為卡諾熱機,卡諾循環包括以下四個步驟:
1.等溫膨脹,在這個過程中系統從環境中吸收熱量Q1;
2.絕熱膨脹,在這個過程中系統對環境中作功W1;
3.等溫壓縮,在這個過程中系統向環境中放出熱量Q2;
4.絕熱壓縮,系統恢復原來狀態,在這個過程中環境對系統作功W2。
其中Q1-Q2=W1-W2 (將熱能轉為機械能)

電力線 (電場線)(Line of Electric Force)

電力線 (電場線)(Line of Electric Force)
國立台中第一高級中學物理科張宇靖老師、康宇玹老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

在電場中,空間任一點的電場強度都有一定的方向。因此我們可以在電場中畫出一系列曲線,使曲線上每一點的切線方向都和該點的場強方向一致,這些線稱為電力線,可用來表示電場的強弱與方向的假想力線~~法拉第創立。

電力線的描繪,可置一小正電荷於電場中,沿此正電荷所受電力的方向連續緩慢移動所得的軌跡即為電力線。但要注意,正電荷在電場中的運動軌跡不一定是電力線。因為電荷的運動方向(即速度方向)不一定與受力的方向相同。

縱波(Longitudinal Wave)

縱波(Longitudinal Wave)
台中縣常春藤高級中學李品慧老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

縱波為波振動方向延著或平行於波的行進方向,即介質的振動方向與波的行進方向相同,力學上的縱波也可稱為壓縮波。

非電磁波非電磁波縱波的例子有聲波(壓力的傳遞、粒子位移、彈性物質中粒子速度的傳遞)以及地震波中的P波(由地震或爆炸引起)。

聲波我們可用以下的方程式來描述縱向聲波的頻率及波長:
y(x, t) = y0sin(ω( t – x / c))
其中 1. y(x,t)為質點距離平衡點的位移。 2. x為質點距離原點的位移。 3. t為經過的時間。 4. y0為振盪的振幅。 5. c為波速。 6. ω為角頻率。

量值 x/c為波行進x所經過的時間,波的頻率f 可用f = ω / 2Π來計算,單位為赫茲Hz。 聲波的傳播速度與溫度、壓力、介質有關。

頻率 〈Frequency〉

頻率(Frequency)
國立彰化師範大學物理系侯院武/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

頻率為測量重複事件發生次數的單位。
有循環性的運動,例如旋轉、振盪、或波,定義為每單位時間的循環數頻率,以拉丁字母λ或希臘字母ν表示。在SI單位系統,頻率的單位為Hz,以紀念德國物理學家Heinrich Hertz,亦為次數/秒(cps),在某些情況下仍在使用。心跳率以及音樂節拍器,則以拍/分鐘(bpm)為單位。至於轉動頻率,則經常表示為轉/分 (rpm),bpm以及rpm除以60,即為Hz,因此60bpm對應的單位為1Hz。

頻率的相關測量稱為角頻率ω,定義為角度在運動時的改變率,或是正弦波形周相位ω= 2πf,角頻率以弧度/秒為單位。周期通常以T表示與頻率f成反比,在SI單位系統以秒為單位。

測量
要計算事件的頻率,首先計算在某固定的時間區間內事件的發生次數,再除以事件所經過的時間。在計算事件頻率的實驗中(計算擺的頻率),要測量的是固定次數發生所經過的時間,而非固定時間內事件發生的次數,因為反向操作將會增加測量的隨機誤差。計算頻率的替代方法為測量兩個連續發生事件所經過的時間,然後利用頻率與週期成反比的性質計算頻率,更準確的測量則為選取數個循環再計算每個週期的平均。

高頻率的測量中直接計算是相當困難而且不可能的,因此我們使用其他的方法:以一已知頻率f0的聲源或光源(例如雷射音叉或波形產生器)為參考,因為觀察頻率和參考頻率同時產生,而且頻率差以一可被測量的極低頻率Δf,計算這個效應有時被稱為stroboscope effect,而未知的頻率為f=f0+Δf。

諧波 (Harmonic)

諧波(Harmonic)
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

在聲學和電信學裡,諧波是基頻的整數倍信號,如頻率是f,諧波的頻率可以是2f,3f,4f等,也包含f本身,所以諧波在頻率上是有週期性的,又由於傅立業級數的性質,信號的總和與它的諧波頻率也是有週期性的。

許多振子,包含人類的聲音、受拉的小提琴弦、或仙王星座的變光星,或多或少都有週期性,也因此可被分解為諧波。

大部分的擺盪物,如彈動的吉他弦、打動的鼓或敲動的鐘、不同頻率的自然振盪,都可產生泛音,即使擺盪物為細長的物體,如吉他弦,小喇叭或樂鐘,產生的泛音仍是基頻的整數倍,因此這些樂器可以模仿唱歌的聲音,並且結合為音樂,至於非基頻整數倍的泛音則稱為非諧音,通常聽起來不悅耳。

駐波 〈Stnading Wave〉﹝二﹞

駐波(Stnading Wave)﹝二﹞
國立彰化師範大學物理系侯院武碩士生/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

數學推導
同振幅、頻率、波長,但是以相反方向運動的波,互相干涉而產生駐波或是靜止波,舉例來說一個諧波向右傳遞,並撞擊另一端點而產生駐波,反射波必須擁有與入射波相同的振幅和頻率。

假設諧波可以下式表示:
y1 = y0 sin( k x – ω t )
y2 = y0 sin( k x + ω t )
y0 振幅
ω 角頻率
k 波數
x 位置變數
t 時間變數

Pages