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1665年1月:虎克《微物圖解》的出版

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1665年1月:虎克《微物圖解》的出版
譯者:蕭如珀 自由業 楊信男 台灣大學物理系/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

在古典科學的書籍中,幾乎沒有一本能夠像牛頓的《自然哲學的數學原理》(Principia)和達爾文的《物種起源》(Origin of the Species)一般,擁有彌久不衰的影響力,但有一本書卻經常為大家所遺忘,那就是《微物圖解》(Micrographia)。《微物圖解》的作者是虎克(Robert Hooke1635-1703,於1670年代提出虎克定律),雖然他的知名度無法和他同時期的牛頓相比,可是他卻是英國17世紀最聰明、最多才多藝的科學家之一。《微物圖解》除了在科學上的重要性有目共睹外,它更打開了原來看不見的宇宙,將其呈現給一般的讀者。

虎克誕生於威特小島的一個牧師家庭,他起初想當藝術家,因此13歲時就到當時最有名的肖像畫家處當學徒,在那裡他抱怨油彩和油漆讓他的胸口不舒服,所以就離開學徒生涯到西敏寺學校去上學。在學校裏,他精通了古文,學會彈奏風琴,利用飛行物來做實驗,還據說只花一星期就精通了希臘數學家歐基理得的書《幾何原本》(Elements)中的前六卷。1653年,虎克在牛津的基督教堂當聖歌隊員,遇到了後來創辦皇家科學會(the Royal Society)的人。1658年時,他去當波義耳 (Robert Boyle)的助手,應用他的機械技巧來改良抽氣機,在化學與實際的實驗方面學到了純熟完美的技術。

四年後,虎克被任命為新創辦皇家科學會實驗室的組長,負責每星期所討論的實驗工作。1665年,他終於受聘為Gresham學院的幾何學教授,是英國第一位有給職的研究科學家。1661-1664年間,他利用顯微鏡進行了一系列的觀察與實驗,將所得到的結果寫成了《微物圖解》。

《微物圖解》於16651月首度在書店上架後立刻造成轟動,它不僅提供給科學家嶄新的資料寶藏,而且對實驗科學提供了既清晰又完美的例證。例如,由顯微鏡底下所簡單觀察到的一片木炭即可認識到細胞的存在;描述一隻蒼蠅的構造就可寫成空氣動力學、聲學、與波動型態等方面的實驗論文。事實上,在《微物圖解》中所記錄的60個觀察報告,加上58幅繪製精美的版畫,每一個都那麼詳細,足以提供物理上做更深入的研究。虎克在藝術方面的才華,使他能忠實地解釋、描述1660年代複式顯微鏡中所呈現的粗糙影像,對於此書的完成與出版助益很大。

這本書對外行人來說也有相同的震撼效果,主要是因為它易讀的寫作方式和豐富的圖解內容,讓人對於平凡、熟悉的事物有了深刻的新視野:一個細小的針頭看起來像一根粗糙的紅蘿蔔;纖細的絲很像籃網;熄滅的火花看似一堆木炭。Samuel Pepys說他仔細地閱讀此書,直到深夜2點,並宣稱:「這是我一生中所讀過最精巧、有創意的一本書」。Peps後來買了自己的科學儀器去加入皇家科學會,終於在1684年當上科學會的會長。

虎克後來在光學與重力方面的研究雖然因牛頓的貢獻而相形失色,但是在當時,他在科學儀器的發明與設計方面是無可匹敵的。例如,他發明了錶的發條來控制齒輪的平衡、複式顯微鏡、輪式氣壓計、和目前全球機動車所使用的接合器:虎克接合器。他率先強調解決天文儀器解析度的重要性,製作了第一個反射望遠鏡,並用它來觀測火星的自轉,也讓他最早察覺到一個雙星系統。此外,他也是一個高超的建築師,設計了許多倫敦的建築物,雖然現在只剩幾幢而已。

虎克晚年時健康惡化,心血管毛病加上糖尿病使得他的雙腿腫脹、胸口疼痛、暈眩、虛弱、全盲,終於在170333日過世。雖然他在世人的眼中看來很成功,但是他的名譽卻因他和其他科學家的紛爭而受損,其中包括和惠更斯對彈簧調整器的意見不同,和牛頓先是光學問題,後又就萬有引力的平方反比法則提出的先後爭執。這些事情總是深深地刺傷他的自尊心,所以他後來變得易怒、鬱悶、多疑,總覺得被牛頓出賣了,在社會上得不到應有的聲望。

雖然虎克從未獲得世人如對牛頓般的推崇,然而,他的確有著特殊的創造力,多才多藝,對古文的造詣深厚,有著高度的繪圖技巧與實際的手藝技能。最重要的,根據牛津大學歷史學家Alan Chapman所說:「他是證明『實驗哲學』真的有效,可用以拓展自然知識領域的人。他是歐洲最後一個文藝復興的人,是英國的『達文西』(Leonardo)」。〈譯者按:達文西是義大利文藝復興三大藝術巨匠之一,多才多藝,代表作有蒙娜麗莎、最後的晚餐等。〉

1987年2月:超新星1987A的發現

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1987年2月:超新星1987A的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1987年的2月,加拿大天文學家Ian Shelton(當時他是多倫多大學大四的學生)忙著在智利的LasCampanas 天文台用望遠鏡對著167,000光年外一個叫做大麥哲倫星系的小銀河系拍照。他以為他只是做著每天的例行公事,可是當他將底片沖洗出來後,卻注意到一個極度明亮的星球,是他以前觀察此區域從未見過的:一個大約為五等星的星球。他知道那不是新的星球,而只是一個在超新星爆炸中散開來,正在老化中的巨大星球。
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毛細現象 〈Capillary action〉

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毛細現象 〈Capillary Action〉
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

毛 細現象是一種物質吸引另一種物質的能力,就如植物中的維管束,可以輕易地吸水,就像衛生紙或宣紙般等多孔性紙類一樣,它發生於液體與物質之間分子的附著力 大於液體內部分子的內聚力時,此時物質與垂直的表面接觸會產生凹的新月形狀,同樣的理論也可以說明多孔物質如海棉,可吸取液體的原因。

毛 細管常被用來說明毛細現象,當低端的玻璃試管被放置在液體中,如水,會產生凹的新月形狀,表面張力將液柱拉高直到足夠的液重與分子之間的力達到平衡,液柱 的重量正比於試管直徑的平方,但液體與試管邊界接觸的長度正比於試管直徑,因此愈窄的試管比寬試管可以吸取較高的液柱。舉例來說,一直徑0.5公厘的玻璃 細管大約可以吸取2.8公厘的水柱。

而其他的組合方式,如水銀柱和玻璃,液體分子間的力量大於液體與固體之間的力,因而產生凸面形狀,而毛細現象也作用於相反方向。
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群速度(Group Velocity)

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群速度(Group Velocity)
國立臺南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系吳仲卿教授責任編輯

當波動經過調變(modulation)或者是封包(envelope)之後,合成波的整體波形,在空間中傳播的速度,稱之為群速度。舉例來說,想像一下,假如將一個石頭丟入非常平靜(still pond)的池塘中,會發生什麼現象呢?

當石頭撞擊水面時,水面上會出現一個圓形區域的水波(a circular pattern of waves)。接下來,這個圓形區域會很快地轉變成數個同心圓環狀的水波傳播出去,擴散出去的的水波稱之為波群(wave group)。波群前進的速度稱之為群速度。

經過分析,每個波群其實是由數個波長不一樣的子波組成的,每個子波的波速也不相同。整體來說,波長比較長的子波,傳播的速率也比較快,但是當它接近波群的前端時(leading edge),就逐漸地消失了。波長比較短的子波,傳播的速率就比較慢,當它從波群擴散的範圍(trailing boundary)出現(emerge)同時,也就開始逐漸地消失了。

在深水區域,表面的水分子擾動,會形成表面重力波(gravity waves)傳播,就是一個由不同頻率的子波形成的波群,每個子波的波速稱之為像速度(phase velocity)。在大部分的狀況下,像速度比群速度快,但是水分子本身的擾動速率卻遠比像速度小更多。
群速度與像速度是不相同的概念,最早是由W.R. Hamilton在1839年提出,然後在1877年,Rayleigh在其著作”Theory of Sound”,有完整的交代。

資料來源:http://en.wikipedia.org/wiki/Group_velocity

熱浪 〈Heat wave〉

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熱浪 〈Heat wave〉
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

熱浪是指天氣在一個長時間保持過分炎熱,還可能伴隨著很高的濕度。主要指某地區出現異於平常狀態的高溫,這種不正常的氣候模式,嚴重的熱浪已造成災難性的農 作物歉收,數千人死亡。對於熱浪的界定各地不同,世界氣象組織建議,當連續5天每日的最高溫度超過正常的時期平均最高溫度5 °C時,定義為熱浪。更嚴重的狀況稱為熱風暴(是當較廣大的區域,通常是數萬或數十萬平方公里),溫度連續三天達到華氏100度(38 °C)以上。
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熱島現象 〈Urban Heat Island〉

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熱島現象 〈Urban Heat Island〉
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

城市熱島是一個都會區溫度顯著高於其周圍環境。這個現象通常是在晚上比在白天明顯;在冬季比在夏季明顯,尤其當風勢弱時最明顯。這個現象的發現是由於人造衛 星的出現,使人類得以利用人造衛星從高空以紅外線拍攝地球,紅外線的影像中城市地區的溫度與周邊植被密集區域有著很明顯的差異,看起來城市部份就好像一個 浮島。主要原因是因為大樓和柏油路面佈滿整個城市,些表面的吸納(而非反射)太陽的熱量,導致表面溫度的和整體的環境溫度上升並蓄存熱能,從汽車、空調、 工業和其他來源的餘熱也增強了熱島效應。另一個因素是建築物阻礙空氣的流動,這也抑制冷卻對流。
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焚風 〈Foehn Wind〉

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焚風 〈Foehn Wind〉
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

焚風是一種乾燥高溫的落山風,發生在山脈背面。在世界各地對類似的現象有不同的稱呼,在阿根廷被稱為Zonda,在美國洛磯山脈地區被稱為Chinook, 在東歐被稱為halny,在南非被稱為Bergwind,在英國被稱為Helm wind。此外在其他許多地區還有許多不同的稱呼。

布拉風是一種類似焚風的冷風,布拉風的名字來源於克羅地亞和蒙特內格羅的愛琴海岸。

焚風發生的原因係因與山脈走向垂直之氣流,在山的迎風面受到高山阻擋被迫抬升,空氣上升過程氣壓持續下降,形成絕熱膨脹而降溫(空氣每上升一百公尺氣溫約下 降攝氏 0.65度),當氣溫下降到露點時空氣的相對濕度達到100%,高度繼續上升則水將會凝結出來,凝結出來的水在山的迎風面形成雲(或產生下雨),並放出凝 結熱。空氣越過山脊之後開始下降,在下降過程中形成絕熱壓縮,由於空氣相當乾燥,因此升溫要比空氣在迎風面上升時的降溫要快的多(每下降一百公尺氣溫就上 升攝氏1度),到達平地時便形成乾燥高溫的焚風。

乾燥高溫的焚風會造成融雪,而且相當迅速。在阿爾卑斯山的登山者對它相當頭痛,因為焚風會使原本困難重重的登山變得相當危險。另外,焚風期間也是野火特別容易發生的時期。慕尼黑大學一項研究更發現,焚風使自殺和意外增加了10%。

焚風在台灣俗稱火燒風,當有颱風或低氣壓在台灣北部通過,南台灣吹起強勁的西風,常在台東一帶常發生焚風。

參考資料:http://en.wikipedia.org/wiki/Foehn_wind

全球暖化的效應 〈Effects of Global Warming〉

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全球暖化的效應 〈Effects of Global Warming〉
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

由於全球氣候變暖可能導致未來大規模和不可逆轉的氣候變化影響,但影響的規模和時間性仍有爭議。但一些例子已有顯著的改變,其中以氣候變化最為明顯,並導致一些相關的問題。

自1980年以來,冰川退縮已日益迅速,並已威脅許多冰川世界的存在,若不包括冰帽和冰蓋的北極和南極,全球總冰川面積已減少了50 % ,並導致海平面上升,淹沒沿海低海拔地區,例如大洋洲島國圖瓦魯已被水淹沒,自1900年以來,海平面已上升至平均1.7毫米/年。特別重要的是興都庫什 山脈和喜馬拉雅冰川融化,構成中亞,南亞,東亞和東南亞大陸許多主要河流的水源,增加熔化會造成更大的流量,為幾十年後一些人口稠密地區可能水源日益枯竭。
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全球暖化 〈Global Warming〉

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全球暖化 〈Global Warming〉
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

全球暖化指的是地球的大氣和海洋溫度逐年上升的現象,其原因有很多不同的說法。自然現象如太陽變化與火山活動可能使氣候變暖,但以研究數據推測,有相當多的 團體認為過去五十年可觀察的氣候改變很可能是由人類活動所推動,原因指向溫室氣體排放過多造成的。科學家分析大氣中二氧化碳的變化情況,數據顯示目前全球 平均溫度的變化,幾乎和二氧化碳含量的變化是同步上升的,二氧化碳和其他溫室氣體的含量不斷增加正是全球變暖的人為因素中主要部分。燃燒化石燃料、清理林 木和耕作等等都增強了溫室效應。
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靜電學 (Electrostatics)[二]

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靜電學 (Electrostatics)[二]
國立台中第一高級中學物理科張宇靖老師、康宇玹老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

伏特(Alessandro Volta,1745-1827,義大利物理學家)於1775年發明了靜電感應起電盤,他利用靜電感應起電盤能使導體產生很高電壓的靜電。在1800年用 鋅板和銅板插入一瓶稀酸中做成了第一個電池, 這種電池叫伏打電池。他把電池串聯起來做成了一個電流更強的伏打電堆(Voltaic pile)。電壓的單位伏特就是以他的名字命名的。 繼續閱讀 »

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