小谷太郎博士

名人推薦：岳明國小教師 阿魯米玩科學粉絲頁板主 遠哲科學教育基金會講師 盧俊良 專文推薦

前建國中學物理老師 跟著鄭大師玩科學部落客 鄭永銘 專業推薦

◆暗藏炸藥威力的筆記型電腦

（熱力學的能量守恆定律：力學能與熱能的總量不變）

接下來談談能量，這是指作用於物體使其移動的能力。

掉落中的餐具、充飽的電池、站著的幼童、產生化學變化的澱粉、煮沸的熱水等等，各自有著動能、電能、位能、化學能及熱能等能量。

‧不停變裝的能量

能量的姿態、形式會改變（雖然不是自由自在地改變），並進行各式各樣的變換。

掉落中的餐具會將其位能變換成動能；電動汽車、腳踏車在移動時會將電能轉換為動能；在電池裡藉著金屬等化學變化產生電流也就是將化學能轉換為電能；在走動的幼童肌肉組織裡，稱為ATP（三磷酸腺苷）的分子會成為燃料讓肌肉收縮──也就是將化學能變換成動能。

像這樣，在我們周遭的能量，讓人眼花撩亂地不停變換著各種樣子。

‧能量守恆法則

但即使再如何地激烈變換姿態、形式，能量的總量也不會有變動。換句話說，總量會維持不變。

我們稱這個規則為「能量守恆法則」（law of conservation of energy），這在科學領域中是最基本的大原則。

掉落中的餐具的動能，與餐具回到高處時所具有的位能是相等的；也就是說，如果餐具沒摔碎在地板而是反彈回去，是能夠再返回原先的高度（雲霄飛車正是這個原理的應用）。

當澱粉或ATP分子發生化學變化，能量會傳到周圍的分子上，變換成振動、迴轉或運動的能量，或是由分子放射出電磁波能量變換成熱能。如果能夠將這無數的分子或電磁波的能量都回收、集合起來，會等同於合成原先的澱粉或ATP分子所需要的能量。

不論是什麼樣的反應變化，能量的總量絕對不會增加或減少。

像這樣從日常現象到微小的基本粒子的反應、地球整體能量的流量或天體現象等，觀測工作越嚴密，就越能查覺到能量守恆法則的存在。

‧熱，也是一種能量

力學上的能量，也就是像天體或滾動的球的能量守恆規則，在力學發明的當時就已經得知。

力學的第一法則是「若沒有其他力量施加其上，則靜止中的物體會保持靜止、運動中的物體會保持等速直線運動」，這是基於動能守恆而成立的法則。

對於天體或沒受到摩擦力影響的球來說，這項美麗的法則的確能夠順利運作。不過，滾動的球在「現實」裡，會因為摩擦力而停止下來。這樣一來，能量守恆法則在「現實」裡真的能成立嗎？十八世紀時的人們對此不是沒有疑問。

後來，蒸氣機的發明，火力變換成動力，讓汽船、鐵路或工廠都運作起來，也讓熱與力學能量關係間的相關研究開始有了進展。於是在十九世紀時，「熱力學」誕生了。

熱力學的第一定律（The fist law of themodynamics）是「熱能與力學能的總量會守恆」──也就是說，「熱也是能量的一種型態」。

對現今熟悉能量概念的我們來說，這法則並不會讓人驚訝，但在當初可是革命性的概念。畢竟在那個年代，還在爭論熱是否屬於元素的一種。

依據這個法則，力學能會轉換成熱，而熱則可以引出力學能。

當滾動的球因為摩擦而停止時，原本帶有的力學能並非是消失了，而是轉換成了地板、球或空氣的熱能。

使是無法接受滾動的球會失去力學能量的人，應該也會同意以下這一點：「摩擦並沒有導致能量守恆法則出錯，而是力學的能量與熱能量總和的『熱力學能量』會保持不變」。太好了！篤信力學的人們，會因為能量守恆法則永存而雀躍不已。

‧筆記型電腦也能當武器？

那所謂的熱能，又有著什麼效果呢？

讓一公克的水溫度上升一度的熱量為一卡路里，約等於四焦耳。這大致相當於放在一公尺高處，重四百公克餐具所具有的位能。當四百公克的餐具從一公尺高處落下，所帶來的能量足夠讓一公克的水溫上升一度。

一千公斤的汽車以時速五十公里的速度前進，此時汽車的動能是十萬焦耳，相當於二十五千卡路里，此動能可以讓一公斤水的溫度提升二十五度。

使用筆記型電腦六個小時，會消耗約六十瓦時，也就是約二十萬焦耳的電力。而二十萬焦耳的能量，則相當於五十公克的炸藥（黃色炸藥）所擁有的化學能。

實際上筆記型電腦的電池，有著相當於五十公克炸藥所具有的能量。如果因為故障或短路，導致這些能量在瞬間被釋放出來，就可能引發火災或爆炸。事實上，這一類的意外已經發生過了。

現在，炸藥等危險物是禁止攜帶上飛機或火車的，但筆記型電腦或類似的可攜式裝置並沒有受到管制。而高性能的電池可能有著與五十公克TNT炸藥同等的能量，想想其破壞力，沒納入管制實在是難以想像。

只是，如果真的納入管制，那常在列車上用筆電寫稿的人，可能就會覺得很困擾。

◆一公升紙盒能裝入大過一公升的牛奶！

（虎克定律：彈性材料的應變，與應力成比例。）

請打開家中冰箱，看看是否有著用紙做的，一公升裝牛奶容器也就是一般所說的牛奶盒。如果家裡沒買、或是沒有冰箱，只要想想曾經看過的牛奶盒就行。

‧牛奶盒的秘密

若是測量這紙製的長方體容器的體積，會是多少呢？在開始測量之前，應該會理所當然地認為，因為是一公升的容器，所以體積應該是一公升，換算後就是一千立方公分。雖說是常見的牛奶盒，但會實際去測量其容積的人應該很少。

在寫稿之前，我稍微測量了一下。那個長方體的部分實際測量起來，寬度是七公分、長度是七公分、高度則是十九．五公分。相乘之後是……九五五．五立方公分。咦？不到一千立方公分耶。

這是怎麼回事？

莫非放在賣場販售的一公升裝牛奶盒，實際上都只裝了零．九五五五公升的牛奶嗎？難道牛奶製造商就是這樣堂而皇之地唬弄消費者？該不會連低溫殺菌牛奶、非均質化牛奶、或未使用基因改造飼料的牛奶等都是如此。標榜有一公升的容量，事實上都是虛偽的宣傳而已？

這件事其實是這樣子，牛奶盒的容積雖然比一公升要少了四十五立方公分，但裝入牛奶後，會稍稍膨脹，因此就能裝下一公升的牛奶。原來，這是經過巧妙計算的結果。

在原本容積小於一公升的牛奶盒裡裝入牛奶，壓力會讓容積增加──也就是盒子的形狀會產生變化。

在我們身邊幾乎所有的固體，只要受力，多多少少都會變形。

若施以更強大的力，物體可能會「啵」地一聲變形，無法回復成原先的樣子（稱為塑性變形）。如果只施以微小的力，當力離開物體時，就會自己恢復成原先的形狀。

被施以微小的力，能回復成原狀的物質，稱為彈性材料──紙張就是其中的一種。面對一公升牛奶的壓力，可以充分展現出彈性材料的特質。

原來那些常見的紙製容器，都運用了彈性的特質。

‧虎克定律與彈簧秤

對彈性材料施力，會使其形狀改變。變形的程度則與力成正比（若力道小的話）。這項法則以發現者來命名，稱為「虎克定律」（Hooke's law）

羅伯特虎克（Robert Hooke，一六三五～一七○三）是十七世紀英國的科學家。與牛頓活躍於相同時代，也曾被稱為「牛頓的對手」，不過牛頓倒是沒被稱為「虎克的對手」。

虎克認為自己才是先想到萬有引力定律的人，因而與牛頓爭論不休。

虎克的性格較容易激動，也不容易相處，但他留下了虎克定律及其他許多的成果。若非同時代恰好有個大天才牛頓在，虎克的名氣應該會更大吧。

在說明虎克定律時，一定會講解的例子，就是彈簧秤。

所謂的彈簧秤，其實就是指能吊掛重物、或是乘載重物的彈簧。與重物所施加的重力成正比，彈簧會產生延伸或壓縮效果。當重力為兩倍時，延伸（壓縮）也是兩倍。若加上刻度，能夠讀出彈簧延伸（壓縮）的程度，那彈簧秤就完成了。

彈簧秤能夠發揮功效，是因為力與應變（變形）成比例的緣故。如果力跟應變間不存在比例關係，那想讓彈簧秤運作將會很麻煩。

舉例來說，假設用某種物質來作彈簧秤，當力為兩倍時延伸為三．二倍、力為三倍時延伸為一二二倍，兩者間並非成一定比例。

用這個物質作成的彈簧秤，裝上一公斤的砝碼，並在延伸處留下刻度。然後，再換成兩公斤的砝碼……，依樣畫葫蘆，換上各種重量的砝碼，確認其延伸狀況後，好不容易才終於把刻度都記上。

幸好，實際上製作彈簧秤並不用這麼麻煩。只要做好十公斤砝碼所產生的延伸刻度後，再將其十等分，就能製做出可以測量一到十公斤的彈簧秤了。因為虎克定律保證了延伸與力之間的比例關係，所以這樣做出來的秤就會是正確的。虎克先生的個性雖然有點麻煩，但秤倒很稱職地發揮著功用。

附帶一提，研究彈簧秤原理的虎克，英文名竟有鉤子（Hooke）的意思，這實在是一件很有趣的巧合！

‧我們都被彈力支撐著

站上體重計時，從下方支撐著我們的是彈簧的彈力。

地球會對我們的身體施以重力往下拉，彈簧則以彈力將我們往上推，當這兩種力相平衡時，我們的身體會處於靜止狀態。如果重力較強，身體就會壓壞體重計並陷進地面；相反地若彈力較強，我們就會被推往空中。

彈力並不僅僅作用於牛奶盒或體重計這一類的人造物體上。

當我們站著或睡覺時，地面的彈力會從下方，以等同於重力的力道，將我們的身體往上推。

這種彈力，來自於微小的應變。我們下方的地板或地面，會產生難以察覺的凹陷，並產生與凹陷成正比的向上作用的彈力。

有固體的地方，就有彈力在作用著。我們都是被彈力給支撐著。

◆暗藏炸藥威力的筆記型電腦

（熱力學的能量守恆定律：力學能與熱能的總量不變）

接下來談談能量，這是指作用於物體使其移動的能力。

掉落中的餐具、充飽的電池、站著的幼童、產生化學變化的澱粉、煮沸的熱水等等，各自有著動能、電能、位能、化學能及熱能等能量。

‧不停變裝的能量

能量的姿態、形式會改變（雖然不是自由自在地改變），並進行各式各樣的變換。

掉落中的餐具會將其位能變換成動能；電動汽車、腳踏車在移動時會將電能轉換為動能；在電池裡藉著金屬等化學變化產生電流也就是將化學能轉換為電能；在走動的幼童肌肉組織裡...

◆與生活經驗接軌，激發孩子求知慾

生活即科學，本書作者以科學原理為基礎，介紹生活中所觀察到的各種現象，藉以說明其中的奧妙，讓人不得不讚嘆其學理的豐富與觀察的細微。

根據調查，台灣學生在數學、科學成就高，但是興趣卻墊底，從教育現場中不難驗證這個事實。當厚厚的一本物理、化學書中，敘述的大多是公式、解題技巧時，孩子無法與生活經驗接軌，自然將科學的學習流於為考試而準備，失去了學習科學的熱忱與探究的誘因。因此，唯有從生活面啟發、引導孩子對於科學的熱情和興趣，從被動的灌輸到主動追求知識，才能養成終身學習的動力。

近年在台灣教育界中受到注目與討論的STEAM是結合科學、技術、工程、藝術，以及數學的跨領域教學架構。讓學生在數學邏輯的基礎上，藉由工程跟藝術的展示，來學習科學與技術內涵，培養優質的科技人才、工程師、科學家、數學家，以提升國家的競爭力。然而要發揮STEAM教育的精神，關鍵作法之一是跟生活情境做結合，讓孩子將學到的知識，轉換成對生活有幫助的能力。

本書的特色即是將科學原理與生活中可以觀察到的現象、情境做連結，除了有科學史的演進介紹外，並佐以原理、公式的計算說明生活中周遭的現象，無形中也讓讀者在閱讀中培養對問題的思考力，以及對自然現象的觀察力，提高對於科學的好奇心，以及追求知識的熱忱。

「給孩子的路有多廣，孩子的未來就有多廣。」藉由美國NASA太空研究員 小谷太郎博士的妙筆生花，將傳統課堂中艱深難懂的科學理論，以生活經驗的觀察與類比，顯現出科學的趣味與實用性。讓孩子有了重新學習科學原理、享受科學樂趣的機會，在每個孩子的心中種下一顆「科學」的種子。未來或許不可知，但我們衷心期待每一顆種子都能成長茁壯、開花結果，成為一個生活科學家！

遠哲科學教育基金會講師

盧俊良

◆與生活經驗接軌，激發孩子求知慾

生活即科學，本書作者以科學原理為基礎，介紹生活中所觀察到的各種現象，藉以說明其中的奧妙，讓人不得不讚嘆其學理的豐富與觀察的細微。

根據調查，台灣學生在數學、科學成就高，但是興趣卻墊底，從教育現場中不難驗證這個事實。當厚厚的一本物理、化學書中，敘述的大多是公式、解題技巧時，孩子無法與生活經驗接軌，自然將科學的學習流於為考試而準備，失去了學習科學的熱忱與探究的誘因。因此，唯有從生活面啟發、引導孩子對於科學的熱情和興趣，從被動的灌輸到主動追求知識，才能養成終身學習的動...

◆認識科學的新語言

傳說中，賢人阿基米德（Archimedes）在入浴時，想出了所謂的阿基米德原理（Archimedes principle）。他一邊喊著：「我發現了！（Eureka）」，一邊光著身體就跑到敘拉古城的街道上。

阿基米德原理，是關於物體在水中沉浮的法則。

不論是泡在浴池裡的人、游著的魚、靠風力行駛的帆船、搖晃著的水泡、或飄移不定的浮游生物，全都得依循著這項法則。不管是什麼都無法逃脫科學的法則。阿基米德原理從水裡、空中到流體內，全都適用。

不過，海裡的曼波魚或水窪裡的水蚤，都不是在學會阿基米德原理之後才懂得怎麼在水裡浮沉來去的。但不管有沒有學過，都一樣無法違背自然法則。

能理解自然法則的，只有我們人類。

人類會從自然現象中讀取法則，並基於法則來解釋自然，利用法則來製作道具。並將法則以文字書寫表記，成為共享的智慧財產。

自然法則在經過人的解讀後，才成為定律。

本書將會介紹前人解讀成功的各種科學定律，以及這些定律出現在那些自然現象中，又該怎麼去區分的竅門等等。或是我們身旁的工具中，有哪些是基於這些定律的巧妙運用而來的。

若學會了新的語言，過去猶如天書般不知所云的會話、記號或招牌，突然就變得有意義、能夠瞭解其內容；若知道了科學的定律，至今看過就算的自然現象，也會突然變得有意義，開始向你述說宇宙的組成與秩序的奧秘。

古人正是聽到了這些內容，才會興奮地在敘拉古城的街道上裸奔。而我們又將聽到什麼樣的內容呢？

小谷太郎

◆認識科學的新語言

傳說中，賢人阿基米德（Archimedes）在入浴時，想出了所謂的阿基米德原理（Archimedes principle）。他一邊喊著：「我發現了！（Eureka）」，一邊光著身體就跑到敘拉古城的街道上。

阿基米德原理，是關於物體在水中沉浮的法則。

不論是泡在浴池裡的人、游著的魚、靠風力行駛的帆船、搖晃著的水泡、或飄移不定的浮游生物，全都得依循著這項法則。不管是什麼都無法逃脫科學的法則。阿基米德原理從水裡、空中到流體內，全都適用。

不過，海裡的曼波魚或水窪裡的水蚤，都不是在學會阿基米德原理之後才懂得怎麼在水裡浮...

推薦序：與生活經驗接軌，激發孩子求知欲

前言：懂得日常科學，生活更顯智慧

第一章：日常生活用得上的科學法則
●選錯車廂，危險多出好幾倍（牛頓第二運動定律）
●暗藏炸藥威力的筆記型電腦（熱力學的能量守恆定律）
●煞車靠摩擦力，輪胎越多越易停住？（摩擦力定律）
●想遠離暴風圈？往右後方前進就對了（白貝羅定律）
●速度兩倍，危險瞬間變四倍（力學能守恆定律）
●大人和小孩快跌倒，該救誰？（位能的規則）
●水蒸氣燒燙傷，比熱水更嚴重（蒸發熱）
●緊急煞車，人就往前爆衝，為什麼？（慣性定律）
●想節省時間？步幅大比腳步快更有效（單擺的等時性）
●壓力鍋料理原理，不在壓力而是溫度（沸點上升）
●瓶裝碳酸飲料避免日照，有爆裂危機（亨利定律）
●潛水一公尺，胸口壓力多一百公斤（水壓的規則）

第二章：隱藏身邊的生活科學定律
●魷魚跟火箭有什麼共同點？（牛頓第三運動定律）
●電磁力！連接萬事的神奇力量（庫倫定律）
●人類史上，最廣泛運用的科學定則（萬有引力定律）
●一公升紙盒能裝入大過一公升的牛奶！（虎克定律）
●預防觸電意外的防護神（歐姆定律）
●船再怎麼重也不會沉，為什麼？（阿基米德原理）
●不只海洋，船隻也能飛上天（阿基米德原理）
●從家電到手機，生活已被馬達包圍（右旋螺絲法則）
●萬能磁鐵！能煮飯也能記錄巨量資料（電磁感應的規則）

第三章：經常面對卻忽略的科學奇妙現象
●從一顆豌豆生長，到基因的重生（孟德爾第一定律）
●為何火車汽笛聲，遠近不一樣？（都卜勒效應）
●再多滿天星斗，也照不亮夜空，為什麼？（哈伯定律）
●雨滴落下速度，時速高達四六○公里（史脫克斯定律）
●飛馳的自行車不易倒，為什麼？（角動量守恆定律）
●原子核會崩壞，放射線傷害大（放射性衰變的規則）

推薦序：與生活經驗接軌，激發孩子求知欲

前言：懂得日常科學，生活更顯智慧

第一章：日常生活用得上的科學法則
●選錯車廂，危險多出好幾倍（牛頓第二運動定律）
●暗藏炸藥威力的筆記型電腦（熱力學的能量守恆定律）
●煞車靠摩擦力，輪胎越多越易停住？（摩擦力定律）
●想遠離暴風圈？往右後方前進就對了（白貝羅定律）
●速度兩倍，危險瞬間變四倍（力學能守恆定律）
●大人和小孩快跌倒，該救誰？（位能的規則）
●水蒸氣燒燙傷，比熱水更嚴重（蒸發熱）
●緊急煞車，人就往前爆衝，為什麼？（慣性定律）
●想節省時...