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鹿耳門公館藏經閣環宇萬象小百科> 物理與化學

壹、物理:
物理是科技發展的基礎科學,簡言之,物理學係探究各種形態能量的真面目、物質和能量的關係及兩者之間相關作用的一門學問,包括有生物物理、化學物理、地球物理、天文物理等範圍。本節嘗試淺釋常見的物理相關名詞供參。

1.牛頓力學三定律:
第一運動定律-- 另稱慣性定律。是指,「如果不施加外力,則靜止的物質將永遠靜止,運動中的物體則持續做等速直線運動」,當然此定律的前提是:在完全沒有空氣阻力的情況下,使得成立。
第二運動定律-- 「當對物體施力時,在施力方向上會產生加速度,加速度的大小和力成正比,和物質的質量成反比」。
三運動定律-- 及所謂的作用和反作用定律。當力在作用時,同時也產生「方向相反、大小相同而作用在不同物體的力」。

2.萬有引力:
傳說牛頓因頻果掉落地面而發現萬有引力。物體的掉落、地球和月亮間、太陽和行星間、興細與星系間,皆存在著引力,此即萬有引力。萬有引力的大小和二物體質量乘積成正比,和其距離平方成反比。
3.運動的方式:
相對運動、直線運動、等速度運動、簡諧運動、曲線運動、橢圓運動、雙曲線運動、拋物線運動、旋轉運動。
4.重力加速度:
在作自由落體運動的物體,由於定值重力不斷地作用,其落下的速度越來越快。
5.水壓:
水是分子之微小粒子的集合,潛入水中,會有來自四面八方均相同壓力,潛的越深,壓力越大。其產生的壓力來自潛水深度的水重再加上大氣壓力。人類沉潛入水,耳朵會有疼痛的壓力,即是水的壓力。水中的魚類,由於體內的壓力和水壓相同,因此能在水中四處悠游;但是,如果深海魚類急速拉上水面,也會因一時無法調整體內的壓力而製凸眼暴斃。
6.阿基米德原理:
體放入水中,所承受的浮力及減輕的重量與同體積水重相同,亦即物體沉在水中,其總重就是水線以下體積的水重,亦可以說,其體重就是所排開的水重。
7.各式各樣的熱:
燃燒熱、溶解熱、熔解熱、汽化熱、生成熱、分解熱、電流(阻)熱、壓縮熱、摩擦熱、反應熱。
8.熱力學的定律:
第一定律--即能量不滅定律。在不和外界進行能量交換的情況下,所有能量之和永遠不變。
第二定律--處於自然狀態下,熱,具有從高溫處往低溫處流動的定律。
第三定律--物質在固、液、氣態的各相中,有因為等溫變化而引起 ENTROPY 的變化,在絕對溫度零度時,此變化會等於零。
9.都卜勒效應:
聲源移動時,所產生聲波的振動次數會跟著改變;當聲源接近時,頻率升高、波長變小;聲源遠離時,波長變長。宇宙遙遠星球射來的光線,其頻率非常低,亦即係以極高的速度遠離地球,物理學家就是根據這個事實提出宇宙正在不斷膨脹的學說。
10.X射線的特質:
1895年,倫琴研究陰極射線,偶然發現此射線,由於不知其真正特性,故以數學符號代表未知數的X,命名為X射線。其有穿透、螢光、游離、感光、散射、破壞或刺激生物體細胞等特性。
11.歐姆定律:
通過導電的電流強度宇導線兩端的電壓成正比,而與導電的電阻成反比。
12.焦耳定律:
穩定電流在導體內產生的焦耳熱,與電流強度的平方及導電的電阻與流過的時間成正比。
13.積體電路:
近年來,電子計算機和電腦等具有極端複雜電路的電子設備,皆有快速且蓬勃的發展。一般的高級電腦,其內部至少有數十億個電晶體,要繪出這種精密設備的路線圖的確非常困難。將數種零件巧妙地組合成具有某種特殊功能的電路,並使之可以成為一個零件來使用,就是所謂的積體電路。目前技術已可在邊長五公釐的正方形中,組合為數一千個以上的元件,形成規模較大的積體電路,而且更以每三年增加四倍的比例提高中。
14.半導體:
金屬類的電阻率小,比較容易通電,稱為導體;而硫磺或玻璃等的電阻率大,不容易通電,故稱為絕緣體。但在所有導體中,電阻率有極大的差別,如果加以深入細分,可發現有些種類的物質會呈現出介於導體與絕緣體間的電阻率,這種物質稱為半導體。
15.能源種類:
風力、水力、木材與木炭、煤炭、石油、天然氣和油頁岩、化石燃料、核分裂能、核融合能、太陽能。 
16.基本粒子:
把物質不斷切割,可切割成原子層次,原子由原子核與若干電子組成,原子又由若干質子和中子組成,而質子和中子分別又由三個稱為「夸克」的粒子組成。物質的終極單位,不能再加以分割,稱為「基本粒子」。現在物理學,一般視電子和夸克為物質的最基本單位,至於夸克與輕子間的組成與關係則正在研究中。
17.電磁波:
所謂的電磁波,就是指電場與磁場交會,因振動所造成的波動稱之。此振動數稱為頻率,以赫茲(Hz)為單位,其振動越激烈,波成越短,其進階單位為KHz、MHz、GHz 等。電場視電壓(電荷)的大小而定,磁場依電流大小而定,兩者皆因距離越遠而越弱。至於所產生的電磁波,因研究週期過短,對於長期曝露於電磁波下的影響,目前尚未有定論。
18.反物質:
任何物質皆有反物質,如電子有反電子、粒子有反粒子,粒子與反粒子係成對存在,當粒子與反粒子相互碰撞會產生光而成對消失。
19.扁擔的有趣力學:
扁擔有彈性,兩端掛上重物會下垂;行走時,扁擔隨著人體起伏而上下顫動。當扁擔變彎,重量就瞬間壓在人的肩膀上,一旦兩端重物上升,扁擔變直,重力就幾乎等於零。因此,有經驗的挑夫,會利用扁擔變直的瞬間,邁開步伐省力前進。
20.微波爐的原理:
傳統的爐子,是用輻射或傳導的方式,將食物的表面加熱,再經過傳遞或對流等方式將熱送往食物的內部將其煮熟,期間在熱的傳遞過程中,會在中途散失掉。微波爐的加熱,係藉磁控管發出波長一公分至一公尺的無形微波,直接或在微波爐的內壁反覆折射射在食物上,這些微波促使食物內部分子,以每秒一千兆至一兆兆次的來回激盪,分子在激烈的運動、碰撞之下,溫度就會升高,將食物煮熟或解凍。
21.小鳥為何也會使飛機失事?
一隻僅重達0.45公斤的小鳥,迎面撞上時速80公里的飛機時,其撞擊力達到一千五百牛頓,如時速增加至960公里時,撞擊力則達21.5萬牛頓,如小鳥重量增加,產生的相對撞擊力更加驚人,如同砲彈打向飛機,而致飛機失事。
22.飛機是如何飛上天的?
飛機機翼橫剖面呈上彎下平的流線形,飛機發動後逐漸高速往前滑行,此時會有快速氣流從飛機正面撲來,通過機翼上下,分成兩道氣流流過。通過機翼上緣的氣流,由於上翼較彎,空氣流過的路線長,流速也就跟著加大,壓力也就相對比較小;通過機翼下邊的空氣,因為流過的路線較短,流速較小,壓力大,藉上下壓差的現象,就機翼而言,自然而然產生了向上推舉的力量。飛機靠著這股舉力,就可飛上青天了!
23.地球為何稱是藍色星球?
大氣本身其實是沒有顏色的,天空之所以產生藍色,只要是因為太陽光照射在大氣分子和其他微粒上,再經散射而造成。太陽光經過大氣層,遇到大氣分子和漂浮在大氣裡的微粒子,而向四處散射,而這些不會發光的大氣分子和微粒子,也就變成一個個的光源,發出不同的散射光。光線中的紅、橙、黃等顏色,因散射立小、透射力強,在穿透大氣層後,保持原來的輻射方向,經光波分離作用,人類肉眼看起來成為藍色。空氣中的水分子和微塵的增減,加上散射光裡的長、短波互為混和,也會影響天空中的青濁。於地球不同高度觀察,高度越高,顏色逐漸由青藍色、暗青色、暗紫色、黑紫色而一片漆黑。但就外太空看地球,若無其他異象,則以藍綠色居多。
24.音障:
1862年,法國物理學家發表光速每秒三十萬零九百三十九公里,現代測量光速更精確,測得的結果是二十九萬九千七百九十三公里。聲音在空氣中的速度,約為每小時一千兩百公里,合每秒鐘約3,33公尺。聲音在水中的速度較空氣中快四倍,在固體中傳導更快至十倍以上。為紀念奧地利物理學家馬赫,以飛機航速跟周圍因素的比值稱為馬赫數,飛機以音速飛行,航速就是一馬赫。飛機航速到達一馬赫時,機身和機翼會受到極大的衝擊波震盪,機身表面氣流非常不穩定,抖動得十分厲害,飛機會不穩甚至失去控制,是所謂的音障。
25.高爾夫球的飛行:
表面光滑的高爾夫球只能被打出65公尺左右,現代一擊可打出二百多公尺,其故安在?此因乃現代高爾夫球係凹窩的球面,球被擊出飛行時,會有一薄層空氣附在前部表面,這層空氣於飛行中後段時會脫離該球,形成渦旋,使球後部的空氣壓力降低。一般光滑的球面,在前後壓力差下,會減慢球速,而凹渦型高爾夫球,由於前部之空氣黏附得較久,直到接近球末端才會脫離,因此渦旋區較窄,較不影響球速。球技好手,常會打出下旋氣流的球,此時下部空氣會被帶到球上部,上部空氣比下部空氣流動得更快,上部壓力比下部小,產生升力,球便可在空中飛行的較久。

貳、化學:
基礎科學的研究分析,最終都以數目字求證,也因此造成許多大眾生畏而裹足不前。其實,化學世界多彩多姿,到處都是生機、都是讚嘆!吾人不必惑於化學式的複雜變化,就嘗試以知性的角度來看待吧。

1.重量和密度:
物體的重量取決於浮力或重力,而,單位體積的物質重量則稱為密度。
2.空氣的重量:
在攝氏零度、一大氣壓條件下,一立方公分的空氣重為0.001293公克。以這種方式計算,3.2邊長公尺的立方體所裝的空氣,約重40公斤。如同水壓的原理,陸地上則有氣壓的存在。
3.大氣的壓力:
國際間所認,760 公釐水銀柱高稱為一大氣壓。距離地表越高,空氣少、密度越小、壓力越小。天空飛行物、海底潛艇的減、增壓,就是調整為人類所能順應的壓力。
4.空氣的成分:
氮-78.084%、氧-20.946%、氬-0.934%、氖-0.0018%、氦-0.000524%、甲烷-0.002%、氪-0.000114%、氫-0.00005%、一氧化二氮-0.00005%、氙-0.0000087%。
5.氣體的液化:
氣體經反覆地壓縮,可以成低溫的液態形式。
6.惰性氣體:
空氣中含有多種含量極少的特殊氣體,此種氣體遠比氮為遲鈍安定,與其他物質幾乎不會發生反應稱之。
7.物質的變化:
固態、氣態、液態稱物質三態,其變化可為形態的變化與本質的變化,本質的變化及所謂的化學變化,變化後稱混合物、化合物。
8.氧化與還原:
物質中的化學分子與氧結合產生變化稱氧化,例如燃燒、鐵生銹即是。經過此氧化作用而產生之物質稱氧化物。物質去氧的現象稱還原。能夠使物質氧化、還原的物質,稱氧化劑或還原劑。
9.化學反應:
氧化、還原、化合、分解....等等,都是化學反應的一種。
10.元素:
僅含一種原子的純物質稱為元素,目前已知的元素有一百多種。
11.酸鹼與中和:
物質溶解於水,以藍色石蕊試紙變成紅色色,口嚐有酸味,此產生氫離子的物質稱為酸性物質;若紅色石蕊試紙變成藍色,是為鹼性物質,帶有澀味,沾在指間摩擦,會有摩擦的感覺。酸鹼中和,雙方的特性會互相抵銷,酸中的氫離子與鹼中的氫氧離子,中和反應,離子互相結合成水,使酸鹼的強烈性質消失。
12.電解質:
在水溶液中,可以游離成正、負離子的化合物稱之。反之,即為非電解質,由於水溶液中無帶電的離子,故不能導電。水溶液中的電極,由負電子送出電子,再由正極吸收電子,此作用即稱電解。
13.有機化合物:
即是所謂的碳化合物,其碳原子能和其他原子以共價鍵的方式結合者。
14.催化劑:
化學反應中,能提高其他物質反應的速度的物質稱之。
15.熱處理:
金屬材料經淬火、回火、退火以及正常化等若干程序,使增加金屬強度、硬度、耐熱性、耐蝕性、耐磨耗性,以提高金屬疲勞強度、彈簧性質、衝擊性、磁性,防止低溫脆性,除去內部應力,使組織成平衡狀態之動作稱之。
16.乾冰是冰嗎?
裝於鋼瓶內的液態二氧化碳,是經高壓濃縮而成,當瓶口打開後,壓力瞬間變小,液態的二氧化碳會回復成氣體,此回復過程間,需吸收大量的熱能,因此周圍的溫度會突然降低。如再加入丙酮等混合時,溫度會更低,因此不得用手去觸摸乾冰,否則皮膚會受傷。由於此狀態的乾冰,沒有任何水份存在,不必經過液化就可直接變成氣體,而不會留下任何痕跡,故稱為乾冰。
17.什麼是重水?
水是一個氧兩個氫的化合物,而重水是一個氧兩個「重氫」組成,重水的分子量、熔點、沸點,均比一般的水為大,但因為它可以把鈾原子反應時,所釋放出來高能量的快中子之速度減慢,是一種慢性劑和冷卻劑,故被大量運用於原子核反應中。
18.人造雨:
以乾冰或碘化銀、點化鉛、硫化銅的微粒,利用飛機灑到沒有降雪的雲層裡,結合吸收水滴而成冰晶,因而迅速成長為各式各樣的雪片,在當時高溫的情況下,雪片融化而降下成為雨。
19.電冰箱的原理:
液體蒸發氣化時會從環境吸取熱力;壓力偏低時,液體會在在較低的溫度蒸發;電冰箱之冷凍現象即是利用此兩理而成。冰箱背部有一壓縮機,於冷凍室有管子相通,管內灌以氯氟烴的化學冷凍劑。冷凍劑經壓縮加熱氣化,於冷凍室西熱使管子變冷,冰箱內溫度降低。吸熱後之氣體再液化經管子流到壓縮機,如此週而復始而成。

本節參考資料:牛頓雜誌、中研院各所於網路發表之文章。
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