DIY實驗課堂：水中的激光手工電子DIY教程

DIYer:老薛 製作時間:90分鐘 製作難度:★☆☆☆☆ GEEK指數:★★★☆☆ 

1   實驗現象

下面三張圖就是通過這個實驗我們將看到的現象。

第一張展示了我們熟悉的光的直線傳播。而光線在水錶面和底面來回反射的現象則還包含了一個應用廣泛的原理，全反射。 

第二張則展示了光有時候也不走直線。雖然我中學的物理老師常常強調光如果不走直線，廁所裏就不能呆了，但是這個實驗並不代表廁所從此變得危險。 

第三張流光溢彩的圖展示了水流帶着激光流動，每一顆水珠都在閃閃發亮。 

2   實驗材料○ 做這三個實驗所需材料比較簡單。前兩個實驗需要一個透明的長方形的小水缸。下圖這個是我自己用有機玻璃板做的。嫌麻煩的話也可以找一個比較深一點玻璃飯盒。

 

○ 第三個實驗需要一個瓶子，自己在瓶子靠近底部的地方鑽一個小孔。

 

○ 一支激光筆。如今這個東西變得很便宜了。我念小學的時候半導體激光筆忽然成為小朋友們的時尚奢侈品。那個時候我們還不知道這個能發出強烈單向單色光線的東西叫什麼。社會大眾也不知道它叫什麼。還記得有專家在報刊上發文指出這個東西叫激光筆，射到人眼裏會致盲的。時代在發展，社會在進步。如今連能點着煙的激光筆都可以在網上買到了。

○ 水。需要自來水，可以用指尖稍微沾一點點奶粉融在裏面增加光的散射。純淨水不容易觀察到實驗現象。

○ 單晶冰糖。做第二個實驗要用的。

 

3   實驗步驟第一個實驗：將小水缸裝滿自來水。把激光從側面斜着射入。即可看到圖一中的實驗現象了。如果在一間比較暗的房間裏，會看到漂亮的光路。第二個實驗：將小水缸裝滿自來水。把單晶冰糖均勻地鋪在小水缸底（我做的水缸只有一釐米寬，所以節省冰糖）。不要攪動它。等幾個小時等到大部分的冰糖都融化了，再把激光從側面水平射入。即可看到圖二中的實驗現象了。同樣在暗房間裏，可以看到令人驚歎的景象，彷彿光線在彎曲的時空中的軌跡。第三個實驗：將瓶子裝滿水。當水從小孔中流出時，把激光射向小孔，就可以看到光隨着水流淌了。 

4   實驗原理4.1   第一個實驗我們注意到光線在水裏面來回反射了好幾次。如果你把一張薄薄的白紙放在小水缸頂上，並不能看到任何激光的光斑。這表明，沒有任何激光能透過水的表面，它們全部都被反射了。這個時候，看似透明的水面變成了一面最完美的鏡子。這個現象叫做全反射。是光從折射率比較大的物質（此處是水）到折射率比較小的物質（此處是空氣）發生的一種現象（見下面的示意圖，藍色區域代表水，空白區域代表空氣）。現在的光纖之所以可以長距離輸送信號（甚至跨海跨洋），就是因為光在光纖中是通過全反射傳播的，光信號強度損失得非常小。當然，你也可能注意到，圖一中光線強度隨着光的傳播確實是減弱了，這與“強度損失的非常小”相矛盾嗎？不相矛盾。因為雖然反射的過程中沒有光線損失，在傳播的過程中，光線被水中的微小顆粒散射，從而導致光強的損失。光在光纖中的傳播也會與光纖玻璃中的雜質散射，使光強隨傳播距離衰減。實際上，前年獲得諾貝爾物理學獎的高錕先生的主要工作就是從理論和實驗上研究瞭如何減少光纖的衰減。在他的工作之前，光在當時的光纖中衰減的非常厲害，每傳一米光強就會打個八折。 根本無法用於遠距離傳輸，只能用來做胃鏡之類的（給姚明做胃鏡可能效果都不理想）。當時（上世紀60年代）很多人都不看好這種通訊技術。正是高錕先生的研究工作使光纖變得實用，而開啟了光通信時代的大門。 

4.2   第二個實驗冰糖在水中融化以後，並不能均勻分佈在水中，而是靠近水底的地方濃度大，越往上濃度越低。而含糖越高的水折射率越大。光從折射率小的物質進入折射率大的物質時會彎折。而如果這種折射率是連續變化的，那麼光線就會呈現出一道完美的弧線。折射示意圖當越深的水有越大的折射率時，光線就會呈現一道向下彎曲的弧線通過測量這道弧線的各處的斜率，我們還能推算出各處的折射率。用一些已知的折射率與糖濃度的關係，我們還能求出糖濃度隨高度的變化，並可以用熱力學中的玻爾茲曼分佈作擬合，求出溶解在水中的糖分子團的質量。當然，這就留給喜歡鑽研的朋友了。 

4.3   第三個實驗歐洲的物理學家在19世紀就注意到光線會被“束縛”在水流中。他們用這個現象來裝飾夜晚的噴泉。現在我們知道了，這就是現代光纖的鼻祖。正是由於光在水流和空氣的邊界上發生了全反射，光線才能隨着水流流動。你可能會注意到，小孔出水速度比較慢的時候，光線就不能隨着水流動了。喜歡鑽研的朋友或許還能算出這種情況發生在多大的水流速度，並與實際觀察到的現象比較。物理科學的最大樂趣莫過於能精確描述或預言一種實驗現象了。當年愛因斯坦的廣義相對論的某一個預言被英國天文學家的觀察精確驗證之後，愛因斯坦寫信給朋友説，這幾天我高興的都不知道該怎麼辦才好了。