Radiometer，直接翻譯是輻射計，可是它可不能拿來量化任何輻射劑量
但卻是演示光的能量轉換成其他形式機械能的好教具
如果你去過物理教學與示範研討會、物理年會或科教年會等等大場面，就應該看過這個裝置，對於它也不陌生。但是包裝盒上「Take your mind for a spin！」的標語，真的是這樣嗎？有沒有科學原理在其中呢？
我選擇的是省電燈泡，一樣是可以驅動輻射計
在一百多年前，輻射計由科學家William Crookes（1832~1919）發明問世，同時他也以發明陰極射線管而舉世聞名，兩個裝置很類似，而且都造成了科學史上不小的震撼與改革。從以前到現在，這個輻射計依然吸引了不同年齡層的人在它前面駐足觀賞。
也有人將它稱為光車，它看起來就像是一個玻璃燈泡裡面安裝個小風車。如果把它對著光源，裡面的小風車就開始由慢而快地旋轉起來，看起來就像被光推動一樣，既然被水推動的叫做水車，那用光來驅動的只好叫做光車了。只不過，我們看得到水的形體，非常容易理解。但是光呢？它的本質是什麼？
透明的玻璃外殼是一個非常明確的事證
顯示了小風車的旋轉絕不可能是因為外界空氣的流動所致
而僅僅靠光線就能讓葉輪轉動的機制是什麼？葉輪的旋轉，當然是起因於力矩的不平衡。若仔細觀察輻射計上的葉輪顏色，可以發現一面是黑的，另外一面是白的。當其暴露在光線的照射之下，黑色那一面的吸收的能量就會比白色那一面多一些。這些能量有部分會轉變成熱能，溫度會升高。
軸心都要朝減少摩擦力的方向去設計
像是光滑的玻璃軸心以及纖細、尖銳的針尖
其實，輻射計中存在著少量的空氣，玻璃罩裡面的空氣分子當然也一直運動著。當撞擊到溫度較高的黑色面時，以傳導的方式也獲得了部分熱能，使得分子彈開時的運動速率變得較快，也就是氣體分子離開時的速率會超過入射時的速率。而撞擊到白色面的氣體分子也會從中獲得能量，只是能量相對的會少一些。這也就是為什麼金屬葉輪的一面塗為黑色，而另一面塗成白色的原因。
所以它應該是要順時針轉動，還是逆時針轉動？是不是只有一種固定的轉動方向？
以能量觀點而言，葉輪在被紅外線照射時，黑色一面的熱輻射吸收率較高，故呈現較高的溫度，從而使該部分周圍氣體分子在獲得能量後的運動較為激烈，使扇葉兩面造成力矩上的差異而引起轉動。
將輻射計平穩地置放在桌上，待玻璃罩裡面的小風車不再搖晃或移動
照片中的燈泡除了發出可見光外，也同時發出了人眼看不到的紅外線
根據牛頓第三運動定律，每個作用力均會產生一個大小相等、方向相反的反作用力。因此當氣體分子彈離黑色面時，同時就有一個反作用力在推動黑色面，當然白色面也是。葉輪兩面的力量相抗衡後，由較易吸收能量的黑色面勝出，同一個葉輪上產生了力量的不平衡。
雖然這種力量十分的小，但如果在持續且大量的氣體分子不斷地撞擊下，效應便會增強。於是在形成力矩之後，葉輪開始旋轉，光線越強，溫差越高，轉動的效果也越好，讓人嘖嘖稱奇。
燈泡點亮後，以不同的距離移近輻射計並觀察扇葉所呈現的轉動效果
但這真的是唯一的解釋嗎？我至少就看過四、五種，有的部分合理，而有的能被推翻。教師在合理解釋令人信服的原因之前，不如就讓學生們發表自己的想法，討論各種可能的原因。在結論慢慢成形之前，教師只要提示與歸納，並對其去蕪存菁。學生就能在此活動中對於運動有進一步的認識與發想。科學的建構不就是這樣嗎？
沒有留言:
張貼留言