國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

碟影之舞

利用廢棄的光碟片進行有趣的科學遊戲

材料:光碟片、雷射筆、膠帶
操作步驟與現象:

  光碟片是日常生活常見的科技產物,也已成為隨處可見的廢棄物,利用光碟片可以進行以下有趣的科學遊戲。

1.取一片光碟片(DVD或CD皆可),沿著中央圓孔外圍剪下一片(如圖一),左右各剪下一片,共二片。

2.將剪下的二片光碟片並排如圖二,中間留一點空隙,再用膠帶貼起來(如圖二)

3. 一手拿著二片黏貼好的光碟片,另一手拿雷射筆對著光碟片(如圖三),並讓雷射筆的光線反射到牆壁上。

4.將雷射筆上下左右變化不同角度照射到光碟片上,並且改變二片光碟片的夾角,可以看到反射到牆壁上的雷射光光點,繁星點點般的繽紛變化(如圖四~圖六)。

注意:請勿將雷射光照射到眼睛,以避免眼睛受到傷害!

  觀看實驗影片(0.7M)

原理:

  光碟片有很多環狀排列的細小記錄點(如圖七綠色框),稱為「訊坑」(pit),而環與環之間稱為「軌距」(track pitch),DVD光碟片的軌距為0.74微米(CD片為1.6微米)。這些一條條同心圓的軌道就像是反射式的「光柵」(grating)。當雷射光經由兩相鄰軌距反射時,當入射光的光程差為波長的整數倍時,會產生建設性干涉(波峰與波峰相疊加成)(如圖八),而產生明亮的光點,因此雷射光由碟片反射後,產生不只一個亮點。相關的數學式如下:

  d |sinθ-sinω|= n λ;其中d為光碟片的軌距(即光柵的間距);θ為入射角;ω為反射光的繞射角;λ為雷射光波長;n為整數,而d|sinθ-sinω|即為入射光的光程差。

延伸的科學遊戲:

  上述科學遊戲是利用光碟片的「反射」,也可以讓光線「穿透」光碟片的方式進行。

  首先將CD或VCD光碟片的外緣剪掉一圈(約0.2公分寬即可,如圖九),再將膠帶貼在外層(如圖十),這一層是不透光的反射層,將膠帶貼緊就可以隨著膠帶被撕下來(如圖十一),反覆將膠帶貼在反射層再撕下來,就可以將光碟片外層的反射層全部撕下來,成為透明的光碟片。另一方面,購買整疊光碟片時,最上面與最下面的透明光碟片經常是(不是全都是)沒有鍍上反射層的光碟片,可以直接利用。

  以雷射筆將雷射光通過透明的光碟片,投影在螢幕或牆壁上,就可以看到雷射光成為三個或更多亮點(如圖十二,DVD片亮點會因為角度較大而比較少)。再取二片透明光碟片(共三片),雷射光的亮點就變成很多亮點(如圖十三),這時變換三片光碟片的距離、角度,或是移動雷射筆,螢幕上的雷射光亮點會隨之翩翩起舞(如圖十三、圖十四)。

觀看實驗影片(0.8M)

叮嚀的話:

1.由於DVD的軌距比CD或VCD的軌距更小,亮點之間的距離更遠,為了讓亮點更為密集,建議使用CD或VCD光碟片。但是有些CD或VCD光碟片在剪裁時,反射層(外層封面)很容易脫落,建議可先黏上膠帶再行剪裁。

2.由於市面上製作光碟片的反射層的材質有很多種,因此不是所有光碟片的反射層都可以被膠帶撕掉,版主的經驗是CD或VCD光碟片大多可以很容易撕掉。而DVD片的反射層有很多是染料材質,而且被保護在二層塑膠材質之間,避免直接接觸。因此以DVD製作透明的光碟片,可以用以下方法製作(註:只限以染料製作的DVD)。

如下圖,首先將光碟片最外圍剪掉一小片,寬約0.3公分即可(圖A),就可以從剖面看到光碟片不同層的層次。再用美工刀或小的螺絲起子插入不同層次之間的細縫(圖B),並稍微扳開,就可以將光碟片分為二片(注意:輕輕的扳開即可)(圖C)。將透明的那一片,以棉花沾一些酒精,將光碟片上的染料輕輕擦拭去除(圖D),就可以得到透明的光碟片了。(註:只要透明度足夠,未必要將染料去除)

3.在教學上,建議在高二以上可以指導學生探討以下問題:(1)改變光碟片與螢幕之間的距離、光碟片的角度、雷射筆的距離與角度等等,和形成的亮點之間的距離有何關係?(2) 改變圖二製作「反射式」光碟片的方式,讓學生發揮創意,自行設計。也可以結合「穿透式」光碟片,製作各種不同的「繁星製造機」。(3)討論為什麼CD片與DVD片產生的亮點數量不一樣?(4)如何利用觀察結果,可以測量出光碟片的軌距?

 

參考資料:

1.陳惠玉、楊凱賢、李偉:電腦光碟片繞射實驗。物理教育,5,2001-46-51

2.李偉、陳惠玉:光學實驗CD-ROM的繞射現象。科學教育與發展季刊,26,2002-1-8

3.四十八屆中小學科學展覽作品:http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/48/senior/040807.pdf

4.Kettler, J. E. (1991). The compact disk as a diffraction grating. American Journal of Physics,  59, 367368.

5.Nöldeke, C. (1990). Compact disc diffraction. The Physics Teacher, 28, 484–485.

6.Zanetti, V., & Harris, J. (1993). Spectra of three light sources with a CD. The Physics Teacher, 31, 82–83.