歡迎來到單元 P1.4：光、聲與物質！

你好！你有沒有想過為什麼吸管放在水杯裡看起來像是「斷掉」的，或者醫生是如何在不用 X 光的情況下看到媽媽肚子裡的寶寶？在這個章節中，我們將探討光波和聲波遇到不同物質時會發生什麼事。

注意：此特定單元專為分科科學 (Separate Science) 的學生設計。它以你對波的理解為基礎，進一步說明我們如何在科技和日常生活中應用這些知識。如果一開始覺得內容很多也不用擔心——我們會一步一步拆解來學！

1. 光遇到表面：反射

當光線照射到物質上時，可能會發生幾種情況。最常見的是反射。反射的方式取決於表面的光滑程度。

鏡面反射 (Specular Reflection)

這發生在非常光滑的表面上，例如乾淨的鏡子或平靜的池塘。
• 光線以單一、清晰的光束反射。
• 入射角（射入的光）始終等於反射角（射出的光）。
• 這就是為什麼你在鏡子裡能清楚看到自己的影像！

漫反射 (Scattering / Diffuse Reflection)

你身邊的大多數物體（例如木桌或紙張）在微觀層面上其實都是不平坦或粗糙的。
• 當光線照射到這些表面時，會向四面八方散射。
• 因為光線散向各處，你可以從任何角度看到該物體，但無法在上面看到自己的影像。

快速回顧：
• 光滑表面 = 鏡面反射（像鏡子一樣）。
• 粗糙表面 = 漫反射（沒有清晰影像）。

2. 光的彎曲：折射與色散

當光線不只是反彈，而是進入像玻璃或水這樣的物質時會發生什麼事？它會變慢並彎曲！這稱為折射。

折射定律

光在不同物質中以不同的速度傳播。
• 當光從空氣進入較稠密的物質（如玻璃）時，它會減速並向法線（一條與表面呈 90° 的虛線）方向彎曲。
• 當它離開玻璃再次進入空氣時，它會加速並遠離法線彎曲。

色散與稜鏡

你看過彩虹嗎？那就是色散現象。
• 白光實際上是彩虹中所有顏色的混合體。
• 每種顏色都有不同的波長。
• 在玻璃中，不同波長的光傳播速度略有不同。
• 紫光減速最多，彎曲也最多。
• 紅光減速最少，彎曲也最少。
• 結果：稜鏡將白光分散開來，形成一道光譜！

記憶口訣：ROY G. BIV
紅 (Red)、橙 (Orange)、黃 (Yellow)、綠 (Green)、藍 (Blue)、靛 (Indigo)、紫 (Violet)。 紅色在最上方（彎曲最少），紫色在最下方（彎曲最多）。

3. 會聚與發散：透鏡

透鏡利用折射原理來改變光的路徑。考試中你需要掌握兩大類型：

凸透鏡 (Convex Lenses，會聚透鏡)

• 形狀：中間比邊緣厚。
• 作用：將光線匯聚到一個稱為主焦點 (principal focus) 的單點。
• 用途：放大鏡和矯正遠視。

凹透鏡 (Concave Lenses，發散透鏡)

• 形狀：中間較薄（向內凹陷）。
• 作用：將光線發散開來。
• 用途：矯正近視和門上的貓眼。

避免常見錯誤：不要搞混名稱！可以記住凹透鏡 (Concave) 的中心是「凹」進去的。

4. 色彩科學

為什麼紅蘋果是紅色的？這完全取決於物質如何處理照射到它的光。

• 吸收 (Absorption)：物質將特定波長的光「吸收」進去。
• 穿透 (Transmission)：光線穿過物質（例如窗戶）。
• 反射/散射 (Reflection/Scattering)：光線從物質上反彈回來。

我們如何看到顏色：

1. 物體的顏色就是它反射出來的光的顏色。紅蘋果反射紅光，並吸收所有其他顏色。
2. 白色物體反射（散射）所有顏色的光。
3. 黑色物體吸收所有顏色的光，什麼都不反射。

濾色鏡 (Coloured Filters)

濾色鏡只允許它自己顏色的光通過（穿透）。如果你透過紅色濾色鏡看藍色的車子，車子看起來會是黑色的！為什麼呢？因為藍色的車只反射藍光，而紅色濾色鏡會吸收掉這些藍光，導致沒有光線進入你的眼睛。

重點總結：物體看起來的顏色，就是它反射或穿透後進入你眼睛的光的顏色。

5. 聲波與物質

聲音的行為與光略有不同，因為它是力學波（機械波）——它需要介質中的粒子才能傳播！

聲音在固體中的傳播

實際上，聲音在固體和液體中的傳播效果更好、更快，勝過在空氣中。這是因為固體中的粒子排列非常緊密，可以更快地傳遞振動。

我們如何聽見聲音

你的耳朵是處理波動的高手：
1. 聲波透過空氣傳播到你的耳朵。
2. 它們使你的耳膜產生振動。
3. 這些振動傳遞到中耳的三塊小骨頭。
4. 這些骨頭將聲音傳送到內耳。
• 你知道嗎？這些骨頭在傳遞 1 kHz 到 3 kHz 之間的頻率時效率最高。這正是人類說話聲音最清晰的範圍！

6. 利用波進行檢測（成像）

由於波在遇到不同物質時會反射、折射並改變速度，我們可以用它們來「看見」物體內部。

醫療超聲波 (Ultrasound)

高頻聲波（超聲波）被發射進入人體。當它們遇到不同組織之間的邊界（如肌肉和嬰兒的骨頭）時，部分聲波會反射回來。電腦利用回聲返回的時間來構建影像。

聲納 (SONAR) 與地震波

• 聲納：船隻利用深水中的聲音脈衝來尋找魚群或繪製海底地圖。它的工作原理與超聲波一樣——透過測量反射來運作。
• 地震波：科學家研究地震波穿過地球時的情況。由於這些波在移動通過不同岩石和液體層時會折射（彎曲）並改變速度，因此我們可以在不必挖掘深洞的情況下繪製出地球內部的結構！

速度、頻率與波長之間的關係

當波從一種物質移動到另一種物質時：
1. 它的頻率保持不變（波源沒有改變）。
2. 它的速度改變，因為物質不同。
3. 因此，它的波長也必須改變！
我們使用公式：\( v = f \times \lambda \)

（其中 \( v \) 是速度，\( f \) 是頻率，\( \lambda \) 是波長）。

如果覺得這部分很難也不用擔心！只要記住：如果速度變慢，為了保持頻率不變，波長就必須變短。就像走路變慢時，必須縮小步幅來保持同樣的「節奏」。

快速總結檢查清單

考考自己！你能否：
• 解釋鏡面反射與漫反射的區別？
• 描述為什麼光進入玻璃時會彎曲（折射）？
• 解釋為什麼紅色濾色鏡會讓綠葉看起來是黑色的？
• 說明為什麼聲音在固體中比在空氣中傳播得更快？
• 解釋耳朵裡的骨頭如何幫助我們聽見聲音？
• 描述超聲波或聲納的一種用途？

你做得到的！繼續練習那些光線圖吧！