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葉輪輻射計

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一個可用來闡釋熱輻射原理的精緻工藝品「光風車」,它是利用照光來造成轉動,機制則是葉片的黑色面相對於白色面能吸收較多的輻射熱,造成溫度升高而使黑色面附近的氣體分子平均動能較大。當氣體分子對黑色面做碰撞時,其動量變化較白色面大,因此造成葉片能朝向特定方向旋轉。

Radiometer

上圖這個可驗證熱輻射的儀器是利用黑白雲母片對熱輻射吸熱程度的差異,使密閉在玻璃球內的稀薄空氣因溫差而產生流動,進而推動雲母片快速轉動。因此,可以經由轉速的測量來得知輻射的功率。其構造為四片薄的雲母片,葉片之一面塗黑而另一面塗白。並以等間隔黏於小玻璃管四周,而小玻璃管則置於針尖上,以減少扇葉轉動所受之阻力,並在扇葉外套上一玻璃球罩。當葉片的黑色面吸收了輻射熱,將造成溫度升高,使附近的氣體分子平均動能升高。而白色面則反射大部分輻射能,使得溫度升高較小,因此白色面附近的氣體分子平均動能較小。又當氣體分子垂直對平面做彈性碰撞時,其動量變化為2倍的入射動量,故由黑面端反彈的空氣分子,其動量變化大於溫度較低的白面端,即黑面端受力較白面端大,致使葉片從上方俯視為順時鐘旋轉。這樣的解釋似乎合情合理,不過,我的學生根據一份由 台中一中學生所做的科展報告 而提出質疑。這位學生認為如果葉片旋轉的驅動力是來自於球罩內的稀薄氣體,那麼為何該份科展數據卻顯示罩內氣壓由4torr(約1/200 atm)至0.17 torr(約1/5000 atm)的抽真空過程中,空氣分子變少會造成碰撞頻率降低,但轉速卻反而是愈來愈大呢?因此他就提出了他自己的觀點……。這位學生之所以能從熟知的現象中發現新奇之處,不正就是因為「放棄所謂標準答案」之後才擁有的收穫嗎?