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馮·邁爾誕辰|科學史上的今天:11/25

張瑞棋_96
・2015/11/25 ・1043字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

1850年5月18日,德國醫師馮·邁爾自三樓一躍而下。我們不知他是抱著萬念俱灰的絕望心情,或是已經心智崩潰,總之,他並未如願與這世界訣別,反而救醒後被送進了精神病院。

馮·邁爾。圖片來源:wikipedia

精神失常的馮·邁爾會嘟囔著怎樣的話語呢?照料他的護士或醫師若是有心,能將他顛三倒四的回憶拼湊成完整的故事嗎?如果可以,他(她)將會發現一切都是從26歲的馮·邁爾作為荷蘭商船的隨船醫生到印尼的旅程開始……。

在那兒他發現水手的靜脈流出的血竟然比他在歐洲所見的還要鮮紅。馮·邁爾知道這表示含氧量比較高,但為什麼呢?他推論道:因為在熱帶地區,肌肉與器官不需要消耗太多能量來維持體溫,所以血液中的氧氣也就消耗的比較少。由此啟發了能量與熱的依存關係。他又發現暴雨下的海水溫度比風平浪靜時還高,而聯想到機械運動做功產生的能量使海水的溫度升高。馮·邁爾得出了一個前所未有的洞察:能量不滅,它只是從一種形式轉換成另一種形式。

第二年返國後,他立即將自己的想法整理出來,投稿給科學期刊。但他畢竟只是個執業醫生,連物理的用語都不懂,因此這篇比較像是希臘哲學的文章自然石沉大海。於是他研讀物理一年後,終於在1842年發表被後世認為是能量守恆定律的第一篇科學論文,其中還論證了位能可以轉換為動能。然而這篇論文完全沒有引起注意,即使他在1845年自費出版了一本小書,再次闡述能量守恆的觀念,並且列舉能量的五種形式──位能、動能、熱、電磁力、化學能,與它們彼此間的轉換方式,他在科學圈仍然是個沒沒無聞的局外人。

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相對地,晚他一年發表論文的焦耳雖然一開始得到的反應也是相當冷淡,但是經由一次次修正改進的嚴謹實驗,並透過參與英國皇家學會的活動,終於逐漸建立聲譽,讓能量守恆定律獲得認同,人們也因此將之歸功於為焦耳。馮·邁爾眼見焦耳獨佔桂冠,世人對他的先見與心血視若無睹,深感無能為力又焦慮不已;加上他的兩個小孩又在這段期間相繼夭折,面對命運之神無情的捉弄,他終於選擇跳樓自殺……。

在精神病院的馮·邁爾後來終於逐漸好轉,於1860年重返科學界,英國皇家學會也於1862年承認他的科學成就,並在1871年頒予他科普利獎章(Copley Medal)──緊接在焦耳獲頒獎章的次年。馮·邁爾生前算是多少得到平反了,只是在後世的教科書中,他仍然被忽略了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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達文西教你一起動手玩能量!——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/28 ・1234字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 452 ・五年級

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無所不在的能量

彩虹、跳繩與藍天,這些都是開始了解能量的好主題。首先要知道,能量可以改變形式。舉例來說,能量可能先以風能的形式出現,然後變成了電能。能量無法消失毀滅,也無法增補重生;能量只能轉換形式。現今宇宙所有的能量,也是未來能量的總和。

達文西曉得空氣(風)的能量和水波的能量有關,兩者又都與太陽的能量有關。波動可以在水裡、陸上與空中傳播,他對此深深著迷:「水波從生成點快速遠離,但是水並沒有改變位置,就像五月清風拂過麥田一樣。你看到麥浪經過,但是麥穗還是在原本的位置。」

波動與水流讓達文西著迷,此畫作完成於1510年左右。圖/天才達文西的科學教室

用跳繩舞動能量、興風作浪!

讓繩子以波動舞動起來,是解釋電磁波光譜的好範例,就先從跳繩開始吧!電磁波,也是彩虹與藍天的起源。接下來,你要縱身跳入一起動手玩的實驗中,體驗能量守恆

電磁波以波浪的形式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。圖/天才達文西的科學教室

雙手抓緊跳繩的一端,手臂上下擺動,讓繩子跳起波浪舞。不管你身在何處,現在就被無所不在的能量波動撞擊著,而跳舞的繩子就是能量波動的絕佳模型。這些能量波動就是電磁波——真的是透過磁場與電場的緊密關係產生的。打開電燈開關、收看電視、收聽收音機、使用微波爐、以手機互相溝通等,利用的能量都是電磁波。電磁波以波浪的方式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。

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能量的原理讓彩虹變成你的畫筆

實驗材料:小型LED手電筒紅色藍色與紫色各一個、夜光紙或銀色布膠帶擇一,貼在厚卡紙上 (12.7公分 × 17.7公分)、筆、普通的手電筒、筆記本

只需紅藍紫色小型LED手電筒,加上貼上夜光紙或銀色布膠帶的厚卡紙,就能用可見光書寫啦!
圖/天才達文西的科學教室
  1. 打開紅色LED手電筒,把手電筒當成筆,投射在夜光紙上,會產生怎樣的效果?
  2. 你看到什麼?每種色光和夜光紙之間,交互作用有什麼不同?
  3. 接著以藍色光做測試,再以紫色光做測試。
  4. 最後,以普通的手電筒照射夜光紙,光產生的反應又是什麼?
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化

快樂文化
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馮·邁爾誕辰|科學史上的今天:11/25
張瑞棋_96
・2015/11/25 ・1043字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

1850年5月18日,德國醫師馮·邁爾自三樓一躍而下。我們不知他是抱著萬念俱灰的絕望心情,或是已經心智崩潰,總之,他並未如願與這世界訣別,反而救醒後被送進了精神病院。

馮·邁爾。圖片來源:wikipedia

精神失常的馮·邁爾會嘟囔著怎樣的話語呢?照料他的護士或醫師若是有心,能將他顛三倒四的回憶拼湊成完整的故事嗎?如果可以,他(她)將會發現一切都是從26歲的馮·邁爾作為荷蘭商船的隨船醫生到印尼的旅程開始……。

在那兒他發現水手的靜脈流出的血竟然比他在歐洲所見的還要鮮紅。馮·邁爾知道這表示含氧量比較高,但為什麼呢?他推論道:因為在熱帶地區,肌肉與器官不需要消耗太多能量來維持體溫,所以血液中的氧氣也就消耗的比較少。由此啟發了能量與熱的依存關係。他又發現暴雨下的海水溫度比風平浪靜時還高,而聯想到機械運動做功產生的能量使海水的溫度升高。馮·邁爾得出了一個前所未有的洞察:能量不滅,它只是從一種形式轉換成另一種形式。

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相對地,晚他一年發表論文的焦耳雖然一開始得到的反應也是相當冷淡,但是經由一次次修正改進的嚴謹實驗,並透過參與英國皇家學會的活動,終於逐漸建立聲譽,讓能量守恆定律獲得認同,人們也因此將之歸功於為焦耳。馮·邁爾眼見焦耳獨佔桂冠,世人對他的先見與心血視若無睹,深感無能為力又焦慮不已;加上他的兩個小孩又在這段期間相繼夭折,面對命運之神無情的捉弄,他終於選擇跳樓自殺……。

在精神病院的馮·邁爾後來終於逐漸好轉,於1860年重返科學界,英國皇家學會也於1862年承認他的科學成就,並在1871年頒予他科普利獎章(Copley Medal)──緊接在焦耳獲頒獎章的次年。馮·邁爾生前算是多少得到平反了,只是在後世的教科書中,他仍然被忽略了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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《 用數學來解釋原力,用原力來顛覆物理 》——2019數感盃/國中組專題報導類佳作
數感實驗室_96
・2019/05/25 ・2093字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。
本文為 2019數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類佳作之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

  • 作者:周順興/康橋國中。

圖/imdb

對於眾多科幻電影中炫目、閃亮的情節的合理性及正確性,我一直深感懷疑。經典電影《星際大戰》劇情中正反派角色都會使用的「原力」,深深地令我著迷。於是,我希望能透過這次的研究來破解幾年來在腦中徘徊不去的迷思:尤達大師和達斯維達的最終對決片段,究竟合不合理?

於是,我使用星戰百科全書提供的各星球、船艦長度、重力和歷史以及查詢了功率計算的的方法、尤達大師中戰機的高度、秒速及身高。使用影格計算其來計算時間等實際數據。

兩大角色功力一覽:

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表/作者整理

電影中,路克的 X 戰機墜毀並沈沒在沼澤中, 60 公分高的尤達大師竟然從水平面舉起了 1.4 公尺之高(起落架正好接觸水面的位置高度約為一點四公尺)。戰機為 12 公尺長、翼展 11 公尺的戰機,推算出來為 19 噸重。導入位能公式 PE = M(重量,公斤)x G (重力加速度)x H (高度)後,結果如下: 19000 x  9.8  x  1.4  = 260680 焦耳。因穩定施放能量的時間(五秒),可推出功率為 260680 J  / 5 sec = 5213.6 Watts 。

而代表黑暗勢力的達斯維達( Darth Vader ),在追擊莉雅公主時,將一名身高約 175 公分, 70 公斤的反抗軍戰士在 0.46 秒中用 3.3m/s 的高速舉起 1.5 公尺高。假設使用原力轉換為動能的能量損失忽略為零。太空船上的重力是適合人類生存的環境,也就是 9.8 m/s 的平方。由公式 P (力量)= W (功)/ Δ t  (時間變化)及 PE = mgh 算出,達斯維達的瞬間能量為 1410 焦耳的動能和重力位能,除上他在 0.46 秒內的時間,最終功率為 3065 瓦。

最後,分別計算兩人對決時輸出的能量。

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剛開始,尤達大師的輸出如下:

跳起的位能: 13  x  9.8  x  4  =  509.6  焦耳

攻擊的能量: 5213.6  x  0.5  =  2606.8  焦耳 ( W  x  T )

總和: 3116.4  焦耳

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維達此時並沒有感受到疼痛,他將力量專注於尋找尤達快速的身影中為小的空檔並予以致命的一擊。最後,維達找到了一個夠大的空檔,使命的揮出三萬五千瓦的光劍,砍向尤達瘦小的身軀。輸出如下: 3065  x 3 sec =  9195  焦耳

「吾友,帶給你憤怒和情緒,黑暗力量。」尤達用他那奇怪的倒敘法說。並奮力回擊,使用他畢生最大的原力將黑暗領主舉起(二十公尺)並重重摔在地上。輸出如下:

PE  =  120  x  9.8  x  20  =  23520  焦耳

此時,痛覺終於透過他的機械神經傳到他的大腦。他大吼後快速起身並用原力將光劍掃向尤達,不偏不倚的命中尤達的左手。假設光劍重零點五公斤、離尤達四公尺,時間零點三秒,所以速度為每秒十三公尺,維達輸出如下:

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維達控制光劍的動能: 1/2  mv^2 = 1/2 x 0.5 x 13^2 = 42.25 焦耳

光劍本身的能量:35000 W  x 0.2 sec = 7000焦耳

「吾友,你真的願意傷害你師父的啟蒙者嗎?」看來尤達正在使用絕地心控術。趁這空擋,尤達盡快用原力治療傷口。假設復原的能量和造成傷害的能量一致,尤達治療輸出為剛剛維達傷害的 7042.25 焦耳。

兩人目前剩下的能量:尤達大師為 266321.6 焦耳

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達斯維達為 290762.75 焦耳

維達已經知道要輸了,所以將剩下的能量用光並打在尤達身上:

維達 150000 焦耳 + 光劍 35000 焦耳 = 185000

此時的尤達已經無法移動,但不影響右手光劍的戰力,也向維達肩膀一掃,向下直入心肺,砍去左半邊的軀幹。他將十萬焦耳用於治療,勉強維持住生命,所以只能輸出十七萬焦耳的能量。但這也足以讓他獲得勝利。輸出能量如下:

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35000(光劍) + 170000(尤達) = 205000 焦耳

維達道:「吾友,我時辰已到,很榮幸和我最大的敵人一起迎向死亡。」他向他可敬的對手致謝。達斯維達就此死去。結論:尤達大師獲勝。

分析達斯維達之所以無法獲勝原因有三:第一,他沒有治療的技能。第二,他的輸出功率太小,無法在短時間內使用大量的能量以至於死前還有十四萬焦耳未使用。第三,他無法拖延時間直到尤達用光力氣。

尤達大師能獲得勝利原因有三:第一,他的光劍第四戰型在短時間內製造大量傷害並取得優勢。第二,他的治療法術阻止了失血。第三,他分配原力的策略使用恰當,在治療時預留了最後一擊的能量。

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想像力就是你的超能力,我們不能用數學和理性去批判一個用想像力構成的作品,因為兩者根本沾不上邊。老兄,放輕鬆,這只是一部電影。

最後,感謝大家願意來閱讀這篇簡短的文章。每一位讀者、評審的稱讚都更讓我更相信這些努力沒有白費。我希望以數學的方式來推廣星際大戰的文化,也希望數學、物理和原力可以共存。

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/