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   

杯弓蛇影

杯子加了水,影像大不同!

器材:玻璃杯、圖卡

操作步驟與現象:

這是相當有趣的簡易實驗,可以看出杯子加水前、後,影像差很多喔!實驗步驟與結果如下:

1.將空的杯子放在斜的條紋紙卡前(如圖一),然後加水到杯子裡,可發現杯子加水的部分,斜的條紋改變了,變成有點水平(如圖二)。

2.將空的杯子放在紙張邊緣前面,可看到杯子中藍色背景與白色紙張各佔一半(如圖三),接著加水到杯子裡,結果有水的部分,藍色、白色二區塊對調了(如圖四)!

3.將空的杯子放在三條線段的前面,此三條線段的開口朝右(如圖五),接著加水到杯子裡,結果中間的線段沒有變化,但是上下線段變成曲線,而且開口朝左(如圖六)!

 

觀看實驗影片(18.0M)

原理:

由圖一~圖六的杯子成像,可發現都是產生「左右顛倒、上下相同」的結果。本實驗的原理與《玩出創意3:77個奇趣科學玩具》一書中「箭頭隨身變」相同,都是因為光的「折射」。水與空氣的折射率不同,因此裝了水的杯子就如同一個「圓柱狀的凸透鏡」,結果造成了左右對調的現象,亦即原本「/」的圖形,會變成「\」;而水平的「-」線段還是「-」。

成像原理如圖七所示(由杯子上方往下觀察),當影像的左、右光線(以不同顏色箭頭代表)進入杯子中的水時產生折射,最左邊(紅色)與最右邊(藍色)的折射結果的位移最多(參見參考資料1),因而形成左右顛倒的影像。

至於影像的上、下(不同高度)保持一樣,是因為不同高度的光線,進入圓柱狀的杯子時有相同的入射角。例如圖七中的藍色光線,高度不同時,入射角還是一樣,因此成像的高度位置沒有改變。

 

折射現象的實驗相當多,以下是作者購自英國的玩具,稱為「Copycoder(拷貝編碼器)」(參考資料2)。如圖八,是一張看起來相當雜亂的圖案,無法分辨包含的訊息是什麼。圖九則是透明塑膠材質,表面有傾斜、凸起的條紋結構。將圖九放在圖八上面,結果就出現了「THANK YOU!」(圖十)的清晰訊息!

 

叮嚀的話:

1.實驗用的杯子,杯身必須是圓柱形的(例如燒杯),不要使用四方形的杯子喔!

2.為了突顯水的折射效果,杯子加水時,不要加滿,建議加一半即可。

4.本實驗的概念難度屬於國中以上,但是國小低年級就可以進行操作。在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)杯子加水後,左右移動、上下移動以及前後移動杯子,看到的影像有何差別?為什麼?(2)光線進入杯子再到我們眼睛,共發生幾次折射?(答:二次)(3)本實驗與「箭頭隨身變」的科學遊戲,有何異同性?(4)嘗試自行製作圖八、圖九的科學玩具(難度較高,適合科展或科學社群)。

參考資料:

1. Grand Illusions Ltd

https://www.youtube.com/watch?v=2tluELENbWQ&list=UUnmgSO_4g6QcRzy0yFeglyA

2. YouTube影片:https://www.youtube.com/watch?v=Ih6ApEBmHic