2013年2月9日

科學玩具-光學-T字型萬花筒


大家都看過萬花筒這種玩具,它是英國人在1816年發明的。我們在看萬花筒時,由於鏡子的多重反射,可以看到鮮豔的圖案幾近無限延伸。日本把它叫做萬華鏡,其中的華就是「花」的意思,從觀景窗看過去,的確也出現了無數種變化,所以才有這種名稱。
當面鏡組合成正三角形時,影像就會組合成蜂巢狀的正六邊形,一直向外重複

別以為它的構造很複雜,其實萬花筒只是利用三片長方形的鏡子做成的,以鏡面當作內側,先製成一個像三稜鏡般的正三角形直筒,然後把筒的另一端用玻璃封起來,再把細碎的彩色塑膠薄片放進去,最後,把直筒的另一端也用玻璃封起來,留下觀景窗,便能從中看到變化多端的美麗花樣,簡單的自製萬花筒便完成了。視覺設計師為了獲得萬花筒的效果,已經發展出一種如萬花筒鏡像般的設備,個人電腦上只要裝有PhotoImpact等美工編輯軟體也可以玩玩看。
一個物體搭配五個虛像,組合成許許多多對稱的圖案
越外圍影像越暗,是因為光線在反射時,也同時有部分被面鏡所吸收

以上的照片是正三角形萬花筒的成像,這樣的效果就很吸引人了,那除了這樣,還有別的玩法嗎?當你轉動著萬花筒時,有沒有想過,到底萬花筒能變出多少種美麗的花樣呢?

然而,這還跟面鏡間的夾角有關,可以將面鏡組合成正三角形,當然也就能將其排列成等腰三角形,也就是將三角形某個頂點的角度變小,就可以看到以該頂點為中心的三角形不斷重複的景象。這裡的數學公式和物理原理都很簡單,但更需要的是人的想像力,如同虛像般虛無飄渺地天馬行空。
有別於一般圓筒形的萬花筒,這種萬花筒的名稱看它的形狀外觀就能猜知

在一般的科學展覽館裡面不難發現到這種種類的萬花筒,它的名稱由它的形狀而得,叫做T字型萬花筒,因為組合起來就好像英文字母T一樣。和傳統的萬花筒不一樣的地方是它除了圓筒以外,還有一根充滿油狀液體的透明封閉直管,裡面含有許多閃閃發亮的小飾物。
包裝盒裡面就是這兩項組件,透過大的圓筒,可以將透明管內的變化看得一清二楚

這項產品其實並不是最近才推出,很久以前我就買過迷你版的掌上型T字型萬花筒,還附有鑰匙圈,這也不是台灣特有的產品,因為在日本、大陸也找得到,價格不一。若依外觀來看是有很多款式啦,但都是在外觀上下功夫,其中的原理其實都差不多。
我選購的款式比較簡單樸素,透明圓筒裡的樣式則像是沙灘上的寶物一樣
當初會選它,就是想到了愛因斯坦有關沙灘上撿拾貝殼的小孩這句名言

圓筒上的變化在於外包裝,就像環保杯一樣
由於造型是受限的,所以要與眾不同的地方只有筒身上的花樣了

在組裝之前先觀察筒身裡面的面鏡配置狀況
很明顯的,它不是一個正三角形,而是一個等腰三角形,所以成像數會有變化

這是因為從物體反射出來的光線在鏡子之間發生多次反射,每反射一次就會讓人看到一個虛像。鏡子之間的夾角越小,光在鏡子之間的反射次數越多,形成的虛像也就越多。如果60度的偶鏡(也就是兩面相鄰的鏡子)配置可以讓一個實物產生五個虛像的話,那麼比60度小的夾角就會產生五個以上的虛像,也就是夾角越小,成像越多。
哇!觀景窗這麼小!?其實這樣才能避免過多背景光線的干擾
不管眼睛大或眼睛小,湊上去一窺究竟就對了

前方的光線入口不是平板玻璃,也不是圓球狀的平凸透鏡
它算是會聚光的凸透鏡,但表面設計成稜狀突起,入射光線會有不同方向的偏折

透明塑膠管穿越圓筒裝好之後,若此時急著轉動圓筒,那塑膠管很容易就會滑開
為了避免觀察時滑動掉落,所以會在兩側加上橡膠圈固定

塑膠管中填充的液體是黏滯性稍大的透明油狀物,目的是讓裡面的各色亮片、飾物、亮珠不至於太快掉落。另外可以在塑膠管內設計出傾斜角大的螺旋軌道,讓裡面的小物不是呈直線掉落,延長觀察也延長賞味時間。這樣的好處是可以觀察到連續的影像變化,而不再只是分割畫面,也就是能觀察到動態過程,而非停止的靜物影像。
整個裝好之後的外觀就是這樣,所以才被稱為T字型萬花筒
裡面究竟是出現何種變化,讓我們一起來看看

想要快速一點的變化,就把透明塑膠管直立起來,接近90

要慢慢欣賞嗎?稍稍減小透明塑膠管的傾斜角即可

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