PDF《作品说明书》

R中华民国 第50 届中小学科学展览会 作品说明书 高中组 生活与应用科学科 第三名

040814 复眼定位器 学校名称:台北市立丽山高级中学 作者: 指导老师: 高二 殷r萱 高二 胡U庭 金佳龙 冯爱莲 关键词:偏振光、偏光天文?盘、昆虫复眼

1 复眼定位器 摘要 蜜蜂复眼具有偏光天文?盘的功能,他们即使没有直接看?太阳,但只要看?一部分的 天空,就可以知道方向.

本实验探讨蜜蜂偏光定位的原?及构造,并?解昆虫复眼偏光定位 的运作机制,透过模拟且简化蜜蜂小眼的构造,制作昆虫复眼定位器,且实际至户外操作测 ?天空偏振样式,计算出太阳方位,藉此可作各种太阳定位运用.此复眼定位器因为是?用 天空的偏振样式定位,?会受到天气?况影响,即使看?到太阳,依然可以找到太阳方向, 可应用在太阳定位的技术上.且?是?用地磁定位,因此可用於航空或航海方面.

2 壹、研究动机 昆虫可以直接观看太阳光?定位,但有些昆虫在阴天、没有太阳的时候却依然可以找到 方向,我们发现蜜蜂复眼的构造可接收偏光,并?用偏光?定位.古代维京人也已经知道? 用水晶的双折射性质得知太阳位置.本实验以仿生学角??用蜜蜂小眼接收偏光的方式制作 复眼定位器,并设计实验. 贰、研究目的

一、探讨蜜蜂如何接收偏光及其定位机制

二、模拟蜜蜂小眼构造制作复眼定位器

三、设计复眼定位器之定位系统

四、实际应用复眼定位器於生活中 参、研究设备

一、光谱仪

二、光纤管

三、偏振片

四、自制导光管

五、单眼相机 ?、白炽灯泡

七、Moticam

八、脚架 图(1)光谱仪、光纤管 图(2)偏振片 图(4)自制导光管 图(3)Moticam

3 0

0 100 min min * + ? = I I I I P MAX MAX ……(1) 肆、研究过程及方法

一、??探讨

(一)偏光定位 1.非偏振光:自然光的电磁场是向四面八方散射,为各方向性,光波的振动各方向机会 均等,?出现偏光面. 2.偏振光:偏振光的电磁场有特殊方向 性.非偏振光通过一片人造偏振片 时,可?掉其中 50%的偏振光,只有 电场方向平?於偏振片之光波才能 通过,故光强?减半. 3.偏振?:光波在某个方向上振动会最 强,此时光强?会最大,称为为 IMAX, 而在其垂直方向上的光强?会最 小,称为 Imin,则此光波的百分偏振?为 4.瑞?散射: (1)半径比光波长小很多的微?对入射光的散射现象.瑞?散射光的光强?与方向有 关,空气分子散射之总能?与入射光波长的四次方成反比. ( ) θ λ α π

2 4

2 2

4 0 cos

1 8 + = R N I I ……(2) (2)上式(2)中I与0I分别代表入射与散射光强?,R 为散射分子与观察者距?,N 为散 射分子密?,而α与散射气体分子形?及折射?有关. (3)?用公式(2)计算出各个散射角?之光强并将光强?拆为垂直与水平?分?,并投影 在平面上,画出瑞?散射光强?分布,并?用此图计算出各点之偏振?. 图(5)非偏振光打至偏振片示意图

4 5.由图(7)可知,?同角?的光强?分??相同,因此计算出的偏振?也会?同. 6.图(8)为结合公式(1)和(2)后所画出的图形,各角?的偏振?大小变化图. 7.太阳光本身为非偏振光,当太阳光打至大气层后会发生瑞?散射,而产生偏振效果. 8.太阳与天空分别至观测者间的夹角相同者在天球中会形成一圆,由於角?相同,同一 圈圆上的各个点偏振?也相同.而天空中的偏振样式会以太阳为中心,在天球上描绘 出同心圆,而偏振?在与太阳呈

90 ?之天空时最强.

(二)复眼构造与机制 1.昆虫复眼由多个?角形小眼组合而成,?同种昆虫复眼中的小眼?目及大小皆?同, 复眼本身的形?亦?同. 2.昆虫复眼内部各小眼间被色素区隔开?,避免进入各小眼的光线?会再进入相邻的小 眼,会依各种?同昆虫而有?同颜色的色素. 图(9)太阳偏光样式图 图(10)太阳光角?示意图 图(6)瑞?散射光分子 散射形?

1 0.5 0.5

1 1

1 ? 瑞?散射角? 与偏振强?关系 图(8)散射角?与偏振?关 图(11)太阳光位置示意图

2 1.5

1 0.5 0.5

1 1.5

2 2

1 1

2 3 光强总? 瑞?散射之光强分布图 平?分? 垂直分? 图(7)瑞?散射光强分布 强?(counts) 偏振?(P%)

5 图(12)昆虫复眼结构图 图(13)光打至水晶体 3.复眼中各小眼前端为水晶体 , 只有垂直入射的光才会穿透此 晶体部分,进入视细胞层,其他方向进入的光则会被反射出 去或被色素层吸收. 4.小眼中视细胞层为八至九个感光细胞(又称为视细胞)所围成,如图(14)所示,UV、G、 B 分别代表紫外光、?光及?光感光细胞.其中每个感光细胞面向中心侧的细胞膜会 凸起形成微绒毛,这些微绒毛合称为视杆(又称为视官柱体). 5.在复眼?同区域的小眼,微绒毛排?方式?同,大多?小眼中的微绒毛呈向心?排?, 其中沙漠蚂蚁及蜜蜂等昆虫复眼背缘部位的小眼特化为偏光受器区,此区域的微绒毛 互相垂直排?如图(15),昆虫会用此区域接收?同振动方向的光波,进而分析偏振光强 弱.而其他区域的微绒毛排?则如图(16),并非成直角,因此??用?检测偏振光. 图(14)视杆剖面图 图(15)微绒毛排?图 图(16)微绒毛排?图

6 6.背缘部位的一个小眼只能接收到单一方向天空的光,在光入射至微绒毛时,横向与直 向排?的微绒毛会分别接收光的最大值与最小值,经过这?者的比对,即可知道该方 向天空的偏振?. 7.昆虫无法只用单一小眼判别方向,它需要?用整个被缘部位多个小眼同时测?天空中 的偏振?,经由天空偏光样式的比对,即可得知太阳位置. 8.太阳?盘:大部分的昆虫皆是?用此种方式定位.太阳的位置时时刻刻都在改变,但 昆虫可记得每一天每一刻太阳的位置,藉由察看太阳的角?,?确定方向,有此种功 能的昆虫,大多有相当准确的生?时钟.但是使用太阳?盘必须在可以看?太阳的时 候,所以阴天时?适合使用. 9.偏光?盘:?用太阳光穿透大气层所造成特定的偏光样式?决定方向.蜜蜂和沙漠蚂 蚁即使没有直接看?太阳,但只要看?天空中的偏光样式,就可以知道方向.太阳从 升起到?下的期间,偏光样式时时刻刻都在改变,但即使偏光样式改变,天空的偏光 仍会有特定的规?.所以蜜蜂、蚂蚁??在阴天或晴天时都可以准确地判断出方向. 10.蜜蜂与人的光谱感?比较: (1).蜜蜂最敏感波长为 335nm、435nm、540nm (2).人?最敏感波长为 419nm、531nm、558nm 图(17)昆虫与人? 光谱感?

7

二、实验?程图 实际拿到户外测? ?用电脑整??,计算并得知太阳方位 模拟蜜蜂小眼制作复眼定位器 设计复眼定位器定位方法的计算模式 ?解昆虫复眼构造 探讨蜜蜂?用偏光定位的机制 将我们测?出的太阳位置 与实际太阳位置做比较 将可运作之定位器,结合实物应用在生活中 ???符合 时,找出仪器 的问题所在, 并改善定位器 将已经可使 用的定位器 改?使之? 方?

8

三、昆虫复眼定位器制作

(一)复眼构造探讨 1.於学校找寻已死的蜜蜂铺(分成胡蜂科体型较大者,以及蜜蜂科体型较小者?种). 2.将取下的蜜蜂复眼晶体泡至温水中,予以软化. 3.用镊子及卫生纸清除复眼内部的色素以?观看. 4.因为本实验是将晶体部份取下,而晶体是由几丁质组成,并?会因生物的存活而影响 其性质.

(二)探讨复眼晶体是否有偏光片之效能 1.将前项实验已清除好之晶体放置於显微镜下. 2.透过显微镜观察复眼晶体,在显微镜上的灯源处加上一片 偏振片,使其打出?的光为偏振光,旋转偏振片,观察此 复眼是否具有偏振性. 3.?用 Moticam 接收图像 , 并比对复眼单一小眼之??变化 .

(三)导光管的制作 1.?用水管制作导光管,并将头尾攻牙,以?组装. 2.将导光管内外皆涂黑并於内部黏贴黑色毛毯避免光的反射与漫射. 3.由前项实验的结果得知,晶体?会影响光的偏振性质,所以可以简?晶体部分. 4.?射?割压克?板,制作三个由大到小的环形光?於管内,藉此聚光. 5.?用相机测?并计算自制导光管的视角.

(四)微绒毛 为?模拟昆虫复眼背缘部位小眼内部的微绒毛,剪下?片偏振片, 以互相垂直方式黏贴,以接收?种?同方向振动的光强. 图(18)实验装置图 图(19)偏光片 黏贴示意图 偏光片放置处

9

(五)角架 为?使我们能?测到的天空方向固定,且可以任意旋转方位角及仰角,在导光管下方接 上角架固定,并装上?角器,?测仰角,装上自制大型方位盘,?测方位角. (?) 接收讯号 在?片互相垂直之偏振片后方分别接上?条光纤管,在接上?台光谱仪?接电脑?取光 强?讯号值.

四、复眼定位器之测?与应用

(一) 实验过程: 1.?用 SpectraSuite 程式之秒差校准?台光谱仪,使?条光谱相同. 2.将定位器拿到户外测?天空偏振?. 3.固定仰角,方位角以?为

0 ?,向东为正,每转

30 ?测一次?. 4.?取?台光谱仪侦测到波长为固定之强?值. 5.?用?台光谱仪侦测到强?最大与最小的光强?计算出各方向的偏振?. 6.测完一圈后,会得到?个偏振?极大值,并藉此?点推算太阳位置. 7.?用天体位置自动显示器可得知太阳的实际位置. 8.将测?到的太阳位置与实际位置画在天体半球投射图上. 9.比较?测到的太阳位置与实际位置的仰角误差及方位角误差. 10.拍摄每次作实验时天空?况的照片,比较云层厚?是否会影响.

10

(二)太阳位置算法 1.以观测者为座标(0,0,0)为球心 , 绘制出一个天体半 球模型. 2.?色的圆为?用复眼定位器环绕一圈后所测出? 的?值. 3.红色的半圆为与太阳呈

90 ?偏振?最大的平面. 4.将?色圆与红色半圆相?的?个点座标化. 5.可用上述三点(?极大值与观测者)制成一粉红色 的平面. 6.太阳方向即为此平面之法向?. 7.再经由角?换算,可得知太阳的方位角及仰角. 8.最后以天顶为圆心, 仰角每

15 ?画一个同心圆,绘制天体半球投射图?表示天空?态. (请?考结果)

(三)实际太阳位置 1.?用天体位置自动显示器输入时间、地点. 2.选取太阳为基准点. 3.此时的地平坐标即为太阳的方位. 图(20)平面法向? 计算示意图 图(21)体位置自动显示器

11

五、改?实验仪器

(一)替代光谱仪 1.使用相机取代光谱仪接收讯号,因为光谱仪价格昂贵,一般人??取得,相较之下相 机为一般人都有的物品,且可以同时接收多方向的光. 2.使用单眼相机可固定相机??:光圈、快门、焦距、ISO 值,使每次拍摄到照片的相 机进光?固定. 3.将拍摄到的照片?用 PhotoImpact 处?并分析?. 4.后?改用 Image J 程式?取照片资?,较PhotoImpact 准确.

(二)改?导光管 1.改用粗吸管取代水管自制........