自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 第四章 聲光雷射 學習目標 1. 認識波動、聲波、及電磁波。 2. 明瞭聲音的特質及其應用。 3. 明瞭光的性質及其應用。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 波動與電磁波 聲音和光亮不是實質的物質，但我們確實感 覺它們的存在。當我們發覺聲或光時；感覺 它們的影響「一步接一步」地向我們進逼而 來，我們稱這種物理現象為波。波是一種擾 動，是一種能量傳送現象。有關波的名詞簡 述如下。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT （ a ）正玄波：（交流 發電機所產生 的波） （ b ）縱波（聲波） （ c ）電磁波（光波）

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 波長 波一個循環所行距離，以米為單位。 週期 波一個循環所歷經時間，以秒為單位。 頻率 一秒鐘內波所變化的次數，以赫為單位。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 波速 波進行的速度，以每秒米作單位。 振幅 波的最大變化，有正負值，以米為單位。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 波速 ＝ ── ＝ 波長 × 頻率 週期 波長

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 波可作各方向的運動。依運動的形式可分為 兩大類： 橫波：波的振幅與波的行進方向垂直，如 電磁波。 縱波：波的振幅與波的行進方向一致，如 聲波。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電磁波是一種電場和磁場交互變化的現象， 依頻率的高低可分為下列九大類：

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電磁波譜及其用途

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 宇宙射線 頻率在 10 赫以上，宇宙星球激烈反應所 產生。 伽瑪射線 頻率在 10 赫至 10 赫之間，原子核蛻變 所產生。醫學上常用某種放射性物質所產 生的伽瑪射線殺死癌細胞。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT X 射線 頻率在 10 赫至 10 赫之間，用高速 電子撞擊金屬靶，使原子中內層電子 被擊出時即可產生 X 射線。人之肉體 可被 X 射線穿過，但牙齒和骨骼卻不 能透過 X 射線，因而常用來檢查身體 某些病變。 16 18

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 紫外線 頻率在 10 赫至 10 赫之間。原子中外層 電子發生能階改變時產生，例如加電壓於 充滿氫氣的管兩端，使氫游離，而放出紫 外線。太陽光中含有很多的紫外線。紫外 線常用來殺菌消毒。 1516

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 可見光 頻率在 10 赫至 10 赫之間。太陽光，普 通照明器材所發的光。用稜鏡分析可得紅、 橙、黃、綠、藍、青、紫七色，以紅色光 的波長 7.6 × 10 m 最長。紫色光的波長 2.1 × 10 m 最短。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 紅外線 頻率在 10 赫至 10 赫之間，為一般發熱 體的輻射。電視機的遙控器發射微弱的紅 外線以控制電視機的動作。自動門和許多 防盜裝置也採用紅外線的切斷和連接以控 制操作的電路。 11 14

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 微波 頻率在 10 赫至 10 赫之間，用特殊電子 振盪器產生，用於雷達、電視、調頻廣播 及烹飪食物之用。 7 11

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 無線電波 頻率在 10 赫至 10 赫之間，電子電路振 盪所產生，一般無線電通訊、調幅廣播採 用。 4 7

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 交流電 頻率在 10 赫以下，用線圈在磁場中轉動 產生，為市用的交流電源。 4

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 光的本性與光的反射 光是什麼？人一睜開眼睛就知道光，光當然 是一種自然現象，這樣回答未免過於空泛。 歷經科學家的辯論和實驗，現在對光已有共 識。光是質點（物質）也是波，光具有質點 與波的雙重性，只是在某些狀況時質點的性 質較顯著，另一些狀況下波的性質較顯著。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 光和聲音一樣，有反射、折射、干涉、繞射 等現象。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 光的折射與眼睛 眼睛中的眼珠恰似一塊雙凸透鏡，它以帶狀 的纖維軔梢與睫狀肌相連。當物體所發出的 光線由瞳孔進入後，經眼珠的折射，乃在視 網膜上形成一倒立之實像，視網膜上的視神 經受到刺激，於是將其傳至大腦而產生視覺 作用。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 眼睛的構造

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 睛珠趨於扁平，因此曲率減小而焦距得以增 大；觀看鄰近物體時，則睫狀肌收縮而使睛 珠更圓，亦即使其曲率增大而焦距減小。因 此，雖然眼珠與視網膜間的距離（像距）不 變，但卻能使不同遠近的物體，均可在視網 膜上生成清晰的像。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 此種作用，稱為眼的調節，在眼的調節作用 範圍內，人所能看到的最遠點，稱為遠點， 所能見到的最近點，稱為近點。正常人眼的 遠點為無窮遠處，近點則在眼之前方 15 厘米 處。與眼前相距約 25 厘米處的物體，我們看 起來最為清楚，且不易感覺疲勞，此一距離 稱為明視距離。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 正常人眼睛在觀看遠近不同的物體時，生成 的像均可落在視網膜上。近視眼的像落在視 網膜前，所以要把物體移近眼睛，此缺陷可 用凹透鏡製成的眼鏡，如下方所示。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 近視與遠視的形成 及其糾正方式，左 為近視，又為遠視。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 如果物體的像落於視網膜的後方，以致須將 物體移遠才能使眼睛看得清楚者，我們稱其 為遠視，如上方所示，其補救方法則要配戴 一付凸透鏡所製成的眼鏡，如（ b ）所示。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 玻璃纖維具有全反射之特性，光自玻璃纖維 束一端射入，經過很多次的全反射之後從另 一端射出，有傳導光的信息功能，亦稱光學 纖維。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 玻璃纖維束因為細小、柔軟、可自由彎曲等 之優點，故光學工程師將之製成各種不同規 格之內視鏡，光學纖維的前裝了一具定焦距 可閃光的超微型照相機，讓醫生們將其伸入 彎彎曲曲的人體器官內，如腸胃、氣管、膀 胱、輸尿管等，均能一覽無遺，且可拍攝照 片或錄影，對醫學上有極大之貢獻。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 近年來光學纖維被用來亟力發展光纖通信， 光學纖維電纜直徑只有傳統銅電纜直徑的十 分之一，將電磁波的通信訊號傳送到很遠的 地方而不必使用中間訊號放大器，因而易於 進行地下的鋪設工程。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 鑽石的全反射

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 這種電纜可以傳送大量的電話訊息和其他資 料例如電視節目和電腦數據等。同時這種電 纜不會受到其他訊號的干擾，也不會被竊取， 安全性亟高。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 光學纖維 （ａ）光的訊號在光纖 中傳送 （ｂ）光纖的大小與傳 統電線（右）的 比較

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 顯微鏡 光學顯微鏡

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電子顯微鏡 光具有波與質點的雙重性，那麼其他事件是 否也會有雙重性呢？答案是正面的。電子就 是波與質點雙重性非常明顯的例子。我們已 熟知電子的質點性質，它的波性質由電子顯 微鏡 （ EM, Election Microscope ） 的設計獲 得有力證明。電子波依電子的能量而定。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 例如以 100 伏特的電壓加速自電子鎗所射出 的電子，電子所獲得的能量就是 100 電子伏 特，它所具有的波長為 1.2 × 米，這個 波長大約和原子的大小接近，因而可以用電 子波來觀察原子排列狀況，當然可以研究細 胞內的精細構造，使人類深窺生物的秘密。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電子顯微鏡仍然是採用光學放大鏡的原理， 不過光學透鏡不適用，而改用電場和磁場所 組成的電磁透鏡，電子波束就代替了普通光 源，電子波束受電磁物鏡和投影鏡的放大作 用，放大率高達四百萬倍，細胞中的粒線體 和染色體等細微構造都一一顯形。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電子顯微鏡的原理

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 原子力顯微鏡 電子顯微鏡的製作和應用成功，物理學又邁 開了一大步。量子力學（ Quantum Mecha- nics ）確立，凡是具有波和粒子雙重性質者， 即稱為量子，應該用量子力學來討論。繼而 發展出許多新理論和新技術，諸如穿隧效應、 雷射光源、電場蒸發、光束掃描等。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 新的顯微鏡，掃描穿隧顯微鏡 （ STM ） 和原 子力顯微鏡 （ AFM, Atomic Force Microsco- pe ） 相繼問世，竟然可以進行剝奪、吸附、 移動等動作來操縱分子和原子。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 1958 年，梅門 （ Maiman ） 用紅寶石做為發 光體，外繞以放電管，管中通以氦和氙，管 端施加高壓電，氦和氙原子激烈碰撞而放電。 氙放出 550 nm 波長的綠光，被紅寶石中的三 價鉻離子 Cr 3+ 吸收，使得 Cr 3+ 高能態 E 2 的粒子 增多，此現象稱為分布反轉。 雷射

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT E4E4 E2E2 E1E1 EgEg E3E3 光 自發光之產生

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 氙＋氦 紅寶石 共振腔 反射鏡 高壓線圈 雷射裝置

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 紅寶石兩端有兩面完全平行的反射鏡，構成 共振腔。當 E 2 粒子跌落到 E q 而放出 nm 的光稱為雷射（ Laser ， Light Amplifica- tion by Stimulated Emission of Radiation ）。 雷射光碰到共振腔的反射鏡，立即在兩鏡面 間重覆反射，且數度穿越紅寶石，使更多的 Cr 3+ 反轉到高能態 E 2 。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 550nm E2E2 E1E nm Laser EgEg 雷射之產生

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 電源不斷供給，紅寶石就源源不絕輻射波長 相同、方向一致、相位一致、強度集中的雷 射光。可說原來 E 1 到 E q 微弱的輻射光，因 550 nm 光的激勵，而大大的放大增強。故雷 射亦稱為激光。

自然科學概論 Introduction to Natural Science EXIT 雷射光 普通光 波長 雷射光和普通光 之比較