紋影

生活科學趣談

中秋節在生火烤肉時,若透過炭火上方的熱氣流來觀察遠方的物體,可以看到物體邊緣的輪廓呈現晃動的現象;或是白天柏油路面被陽光曬得滾燙時,亦可看見遠方汽車的影像會晃動;同樣的,夜晚的星光閃爍也都是同樣的機制所造成。這是因為空氣密度不同的折射率差異(光速差異),導致光線的偏折方向隨時在改變,從而造成所觀察物體的影像位置隨著時間而改變的現象

紋影(Schlieren)攝影就是觀察這種氣流變化的一種應用技術,在第一則的影片中,後方那面鏡子是凹面鏡,刮鬍刀片與照射的點光源都是位於距離凹面鏡的二倍焦距處。根據凹面鏡成像公式,光源從二倍焦距處所發出的光線經凹面鏡反射後,會再次聚焦於同側二倍焦距處。

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設置刮鬍刀片是為了阻擋因氣流而路線走偏的光線,藉以得到具有陰影效果的黑白紋影。若將刮鬍刀片換成濾光片,則是形成彩色的 RGB Schlieren(Color Schlieren)

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凹面鏡也可以換成一片凸透鏡

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或是二片凸透鏡(Fresnel Lens

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有興趣DIY的朋友們請參考→《DIY Schlieren Flow Visualization