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能量守恆定律-《物理才是最好的人生指南》

PanSci_96
・2015/01/13 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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就在同一個星期裡,艾蓮諾修女提到耶穌讓拉撒路死而復生,羅榭爾修女則表示能量無法創造也無法破壞,只能轉換形式。這兩堂課似乎有所關連。

我腦子裡一直在想羅榭爾修女寫在黑板上的位能與動能公式。假設事情就像耶穌和修女們堅持的那樣,我們死後還有某樣東西存在,那它一定要離開我們的身體。如果靈魂不是實體,就一定是某種形式的能量。當那最後一股能量離開拉撒路的身體往天堂飄去的時候,耶穌想必攔截了這縷小小的青煙,包在手掌心裡,然後小心翼翼送回拉撒路的身體裡,讓他重新活過來。

在我的想像中,耶穌使勁一揉,把能量推入拉撒路的胸膛,已死之人的眼睛就這樣再度張開,搞不清楚剛剛發生了什麼事。這就是改變了形式的能量,沒有創造,只是弄熱、搓揉、移動。顯然耶穌已經讀過熱力學第一定律,因為他讓這個改變形式的做法流傳下來。前一刻拉撒路死了,後一刻他坐了起來,還要了杯水。幹得好,耶穌你真是個科學家。

我在想,艾蓮諾修女和羅榭爾修女搞不好在隔壁的修道院裡一起擬定教學計畫。我想像她們一邊喝著調酒,一邊大聲討論各種轉換:死而復生、清水變美酒、信仰化成行動,並且把這些包裹在課堂的教材裡,讓我們把一切結合起來:耶穌是科學家、牛頓是救主、上帝把戒律寫在石板的一面,另一面則寫著熱力學定律。我知道這種想法有點牽強啦,但似乎也沒有什麼不合理。

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宇宙已經擁有它所能得到的全部能量。耶穌和羅榭爾修女對於這個想法或許很滿意,但對我來說仍是個很嚇人的概念。

我們絕對無法再造出更多能量,只能當能量變化的媒介。太陽的能量儲存在蔗糖裡,我們吃了糖,並把它的熱量轉換成接吻還有裸泳需要的能量,就像宇宙中其他生物一樣,我們都是能量轉換機。你可以把甜甜圈轉換成用美麗的雙腿跳舞、把餅乾轉換成在動個不停的腦子裡計算,但你不能創造任何新的能量。宇宙已經擁有我們所需要的一切能量。這就是熱力學第一定律。沒錯,規定就是這樣。

提高人生的能量轉換率

車子陷入泥巴或雪地的時候,需要將很多由汽油而來的位能轉換成動能:空轉的車輪、飛濺的泥巴,還有過熱的引擎。駕駛也會把熱量轉換成汗流浹背敲打儀表板的動能。結果並不怎麼有生產性,沒什麼價值,也不夠有氣質。

不論是困在除夕暴風雨裡的轎車,或是一邊輪胎卡進山溝的超大貨車,都能讓我們從中學到很多東西。早在幾年前,我就下定決心不再空轉。我列出一長串感覺像是空轉的活動:杞人憂天、小題大作、抱怨、受邀參加派對但沒空去(還跟人家說我有多忙)。我不會再做這些事。如果要休息,我就休息;如果要工作,就工作。如果無法參加派對,我就禮貌婉拒,再送些花過去。我不再讓自己空轉。

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練田徑還有越野賽跑的時候,我們稱那些既沒挑戰性又休息不了的訓練叫「不上不下的訓練」。以比賽時的速度和休息時的速度交替鍛鍊,是讓跑者的身體進步最快的方式。如果每天都用不快不慢的速度練習,跑者的身體就無法感受到培養更多肺活量和肌力的必要性,還有可能冒著受傷或累壞的風險,因為從來沒有機會休息。

雖然在跑步的時候知道「不上不下」的概念,我卻還是在工作和創意提案時犯了大忌。應該好好休息或全心衝刺的時候,反而東想西想,一直空轉。

我必須來點不一樣的。一旦發現自己在空轉,就換件事情做。我全心全意做那些看起來完全沒用的事情,像是去電影院看場以會說話的動物為主角的電影,或是做些杯子蛋糕──最簡單的那種,用現成的預拌粉,一點都不難。等頭腦清楚了,再回去工作。如果停止空轉、真正休息,很快就能再上陣;而經過卡通和巧克力糖霜帶來的真正放鬆後,也會變得更有效率。

人的一生就這麼幾年,一天就這幾個小時,還有那麼多的創意要發揮。如果想要運作得更有效率,就需要稍作休息。如果我們一直轉個不停,那麼這一生也就不過就是陣無用的煙塵、噪音,還有燒焦的橡膠。對我來說,不想再多花一秒鐘空轉,因為過去浪費得夠多了,想把握時間將自己的潛能充分發揮出來。我要付諸行動,不管是與生俱來或從經驗學會的任何才能、運氣、力量和幽默,都要讓它們產生動能,這樣當我嚥下最後一口氣的時候,就不會殘存任何能量。就算是手腳最快的救世主也沒辦法抓到什麼東西塞回我胸膛。

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08ed364c0a044590893d0daf8511ac44本文摘自泛科學2015一月選書《物理才是最好的人生指南》,究竟出版社出版。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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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

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焦耳誕辰|科學史上的今天:12/24
張瑞棋_96
・2015/12/24 ・1082字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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用火藥槍發出巨響所造成的回聲測距離,一次因為反作用力太大而將槍掉入水中,另一次因火藥裝太多而燒掉一邊眉毛。電一隻馬的瘸腿,看看是不是會抽動;拿家裡的工人來實驗,結果把他電暈了。不,這不是豆豆先生的喜劇橋段,而是英國物理學家焦耳在中學階段搞的實驗。

詹姆斯.焦耳。圖/wikimedia

不過在當時的英國科學家眼中,焦耳的形象有那麼一陣子也沒比豆豆先生好多少。雖然焦耳念的中學是提出原子論的道爾吞所創辦,成為他親自教導的最後一批學生,接著也唸完了曼徹斯特大學,但是焦耳畢業後即回家接掌事業,成為釀酒廠老闆,也難怪科學圈內的學者不將他看在眼裡。因此,當焦耳從釀酒槽發熱的現象得到啟示,將不同的金屬線放入水中通電加熱,測量電流大小與水溫的變化,而得出Q = I2Rt的焦耳定律(熱量跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比),而於1841年將發表論文時並沒有引起多少注意,直到第二年一位俄國科學家也得出同樣的結論,焦耳定律才得到肯定。

1843年,他開始著手另一個實驗:熱與能量間的轉換關係。他讓砝碼以自由落體方式落下,透過滑輪帶動密封水筒內的槳轉動,使筒內的水摩擦生熱,證明熱能是由機械能轉換而來,並非當時普遍以為的熱是存在物質內部的一種「熱質」。他還發現固定單位的功會產生一定的熱量,兩者之間固定的數量關係稱為熱功當量。焦耳所做的實驗意義重大,除了顛覆關於熱的傳統認知,還產生了一個前所未聞的創見:能量不生不滅,只是在不同形式間轉換;也就是後來所稱的「能量守恆定律」。

但畢竟大家的錯誤觀念已根深蒂固,加上焦耳本身的業餘玩家形象,當時聆聽焦耳發表論文的科學家們即使沒有跟著出言譏諷,也都只是沉默以對,以他的實驗不夠嚴謹為由,將他與他的主張打入冷宮。

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焦耳不吭不响,默默地回去繼續精進實驗,鍥而不捨地做了四百多次實驗,求出熱功當量的值為4.159焦耳/卡,與現今的4.186焦耳/卡相差無幾。焦耳的論點後來也由其他科學家的實驗得到驗證,終於在1850年獲選為皇家學會的會士,當初嘲笑他的湯姆生 (William Thomson, 1st Baron Kelvin),也就是後來訂出絕對溫度的開爾文男爵,也跟他變成好友,兩人一起合作,聯名發表了許多論文。

1889年焦耳與世長辭,當初的釀酒商得以科學家的身分長眠地下,他的名字也被作為能量的單位,以紀念他的偉大貢獻。
日──波耳誕辰

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》。