生活中的科学现象

生活中的科學現象 樹人醫護管理專科學校王英娟助理教授 生活中物理現象的闡述 物理現象是物質 能量和時空的基本原理及相互關係所呈現的特性 而其現象包含了聲 光 電 磁等領域 1 霓虹燈為何如此燦爛奪目呢 霓虹燈真奇妙 白天看它是無色透明 但是夜幕低垂時一通電 即出現花花綠綠 鮮豔奪目的光芒 霓虹燈裡住著一群孤芳自賞的無色氣體 如氦 氖 氬 氪 氙 氡等氣體 這些無色氣體稱為鈍氣或稀有氣體 也稱為惰性氣體 氦氣 He 裝到霓虹燈裡 呈現出淡紅色或黃色的光 氦氣置換成氖氣 Ne 則呈現紅光 氬氣 Ar 射出的是淡青色光 而氙氣射出的是青色的光 霓虹燈裡真是五彩繽紛 爭顏鬥麗 真是好不熱鬧 2 為何隨身聽 手機等電器中的電池 其電力常在使用一段時間後 當關機一段時間後再行開機 會出現電力回升的情形 乾電池的陰極生成的氫氣屬非導體 這些氫氣會包圍著電棒 導致電流被迫中斷 此稱為極化作用 polarization 故需加入二氧化錳將氫氣氧化 以免產生極化作用 充當氧化劑的二氧化錳是為去極劑 乾電池使用時間過久或放電量過大 則陰極 碳棒 表面會累積夠多氫氣泡層而使電位降低 但過了一陣子 這些氫氣與二氧化錳會反應 逐漸從碳棒表面去除 電位就復原 乾電池的陰極反應為 2NH4 2e 2NH3 H22MnO2 H2 Mn2O3 H2O 3 日光為何比燈泡省電呢 物質發光 有兩種類型 一為 熱光 另一為 冷光 由於物體溫度升高而發生的光 叫做熱光 如油燈 蠟燭等都是屬於 熱光 光源 而如螢火蟲之類的光 把別種能量變成光 但本身溫度並不升高 這就是 冷光 光源 電燈泡是電流把燈絲灼熱到2500 左右而發光 其中約有7 8 的能量變成可見光 其餘90 以上都變成了毫無用處的熱量 故電燈泡浪費不少電 日光燈是一種塗在玻璃上的螢光物 在管子裡面則裝了一些氬氣和水銀蒸氣 當電流通過時 這些氣體便發出了看不見的紫外線 紫外線照射到螢光物質上便引起發光 不同的螢光質 發光的顏色也就不同 燈光的溫度約40 到50 4 何以照相底片是黑色的 最初的照片是藍色的 黑色照片是1827年出現的 極細的銀粉是黑色的 在底片上塗有一層溴化銀 AgBr 溴化銀一遇見光線就會分解 當照相機的快門一按 光線透過鏡頭瞬間進入底片 溴化銀立即分解 底片進行顯像處理 接著對底片進行定影處理 洗去那些多餘的溴化銀 再用清水沖洗 乾燥後即完成 5 鹼性電池包裝上所附之驗電條為何會變色 變色帶是一種液晶 液晶會隨著溫度的變化而變色 39 時呈淺黃色 放在小孩額頭上量取溫度的變色溫度計 電流通過導線時 導線的溫度會升高 稱為電流的熱效應 驗電條即是利用電流通過石墨電阻薄片時 產生的熱使變色帶呈色 6 只有燈絲而沒有玻璃包住的電燈會亮嗎 電燈泡裹的燈絲是一種能夠耐得住高溫的金屬鎢 W 做的 其熔點約2800 燈絲溫度約 2000 左右 這種金屬鎢耐高溫的條件 必須在沒有氧氣存在的條件下才行 白熾的鎢絲一遇到氧氣立刻變成淡黃色的氧化鎢 金屬鎢一旦變成氧化物後 不但變得脆 而且導電的性質也改變 使電流通不過去 不用玻璃泡罩住 雖然會亮 但很快就燒壞了 乃因細絲在如此高的溫度下 化學作用發生得更快 7 水餃煮熱為何會浮起呢 生餃子倒下鍋後 比重比水大 所以就下沉 物體受熱膨脹 餃餡和餃子皮的膨脹速度比水來得快 它們的體積很容易因膨脹而變大 熱餃子脹得飽飽的 比生餃子大得多 但因餃子的重量並未增加 而體積增大以後 單位體積的重量就減小了 水對餃子的浮力比生餃子的浮力大 所以 餃子煮熟時 餃餡和餃皮都充分膨脹以後 就能浮起來 吃浮起來的餃子 當然不會有吃到半生不熟的顧慮了 8 有色玻璃化學在玻璃中加入明膠 氯化銀 AgCl 晶體和微量銅 Cu 當添加氧化鉻 Cr2O3 則成綠色玻璃 加入二氧化錳 MnO2 則成紫色玻璃 變色太陽眼鏡 主要靠添加在鏡片中的氯化銀 AgCl 鏡片照射紫外光 Cl Cl e Ag e Ag銀原子結合成較大的銀原子團 吸收及反射光線 使鏡片變暗 鏡片移入室內 Ag Ag e Cl e Cl 銀原子的電子回到氯離子的身上 使銀原子再度形成原先的銀離子 使鏡片慢慢回復到原來的顏色 9 為祈求國泰民安 有些地區民俗習慣採取放天燈的儀式 為何天燈會飄揚於空 天燈又稱孔明燈 傳說蜀漢宰相諸葛孔明南征時發明的 當時是以傳遞軍事信號為主要目的 天燈就是原始的熱氣球 天燈和熱氣球升空的原理相同 熱空氣的比重較小 較同體積的冷空氣小 將天燈或氣球中的空氣加熱或灌進熱空氣 就如同像裝了氫氣一樣 輕飄飄的懸浮於空中 浮力的關係 使天燈或氣球上升 10 商品化之螢光棒 手鐲 項鍊 耳環 戒指及魚漂襄住之目標物 為何在夜間能發出亮光 清楚看見目標物 由激發態將吸收的光能以 光 的形式放出者 俗稱之為 發光 luminescence 亦即物質吸收能量使物質中的分子達到各種激發態 包括電子激發態 振動激發態 轉動激發態 激發態是不穩定的能態 物質會回到基態或其他中間能態而把吸收的能量釋放出來 在室溫 無光的存在下 經由化學反應提供激發能 而釋放出光者 稱為 化學發光 因不帶高熱 又稱為 冷光 商品化 例如 螢光棒 手鐲 項鍊 耳環 戒指及魚漂 冷光的物質如蟲類 甲殼類 珊瑚類 蝸牛類 烏賊類 蛤類 小蝦和水母跟螢火蟲等 11 磁浮列車為何會浮於空中而行駛 磁浮列車是靠電磁鐵的磁力互相排斥而使車身上浮 一般的情況下車身上浮約15公分 在極高轉速時有集電困難與氣流攪動的緣故 為了使行車穩定 車速一般可維持時速每小時約300公里 如日本之磁浮列車 新的磁浮列車利用超導體 superconductor 本身會排斥磁力線的特性 所發展出來的超導磁浮列車 具無噪音 穩定 和節省能源的優點 且時速約可達500公里 大大縮短州際間的距離 另外 使用高溫超導體做成的超導磁浮列車將可達到時速約700公里 12 電磁輻射對人體有何影響 電磁波會散發出一種擾亂人體狀態的正離子 家庭電器中電磁爐是屬頭號殺手 微波爐次之 外行動電話 電腦設備 高壓電線等滋生源 輻射對人體的傷害 不得不注意 電磁輻射可分成游離輻射與非游離輻射 1 游離輻射的能量在百萬電子伏特 MeV 的範圍 這些輻射因能游離物質之分子 產生正負離子對 故稱為游離輻射 游離輻射照射人體 這些輻射因能游離物質之分子 產生正負離子對 故稱為游離輻射 游離輻射照射人體 則對人體風險甚低 高劑量的輻射可能導致人體罹患癌症 白內障 不孕症 突變 萎縮效應或致壽命減短 2 非游離輻射不會造成受暴露物質的組成原子產生游離效應 輻射能量低於10電子伏特 eV 生活中化學現象的闡述 1 被蚊蟲咬傷後 為何塗些肥皂水或氨水就不癢 蚊蟲唾液中 含有甲酸 濃甲酸的腐蝕性很強 皮膚一旦接觸就會起泡泡 很多昆蟲的分泌液裡 就有許多甲酸 甲酸是無色液體 具有剌激臭味 被蚊蟲咬過後 塗一點肥皂水或氨水就不癢了 乃因為發生酸鹼中和反應 生成中性的甲酸鈉與甲酸銨 2 荼壺裡會長水垢 為何 軟體動物 如蛤 蚌 螃蟹 田螺之類 靠吸收水中的碳酸氫鈣 來建築自己的房子 貝殼 地下洞裡的石筍 鐘乳石 也是碳酸氫鈣的傑作 碳酸氫鈣與肥皂發生化學變化 形成白色硬脂酸鈣沉澱 故硬水洗滌一點好處也沒有 反而浪費更多肥皂 此種硬水拿來煮開水 當溫度升高 碳酸氫鈣就沉澱出來 變成碳酸鈣 結成水垢 開水壼裡長了水垢 就不容易傳熱 因而浪費很多能量與電力 在工廠裡 如果鍋爐長了水垢 因為水垢傳熱不均勻 往往會引起巨大的爆炸 泉水 井水 海水皆屬硬水 硬水是水中含有鈣 鎂離子的酸式碳酸鹽 氯化物或硫酸鹽的水稱之 煮沸法可使硬水軟化 即加熱可使碳酸氫鈣沉澱 利用軟水機將水軟化 軟水機內放置樹脂 利用鈉鹽型陽離子交換樹脂 以鈉離子交換水中硬度 鈣及鎂離子 所以一段時間要將樹脂更換 或是加鹽 讓樹脂內含有鈉 才可進行交換 去除硬水的軟化方式1 離子交換法Ca2 2Na EX Ca EX2 2Na Mg2 2Na EX Mg EX2 2Na 以鈉型樹脂將水中鈣 鎂離子去除 但所得的水含鈉量偏高 對糖尿病 心臟病患者不利亦影響腎臟功能 2 逆滲透法利用半透膜去除水中雜質及礦物質 濾水器 3 有汗漬的衣服不能用熱水洗 身體所排汗水的成分 約98 的水 0 3 的食鹽 其餘是蛋白質 尿素及其他有機物質 食鹽 尿素易溶於冷水 更易溶於熱水 故很容易處理 蛋白質不易處理 蛋白質易變性 受熱凝固 不溶於水 蛋白質一旦凝固 變成不溶性物質後 附著在衣服的纖維上 凝固的蛋白質受到日光照射或與空氣中的氧氣作用 就變成黃色的污垢 故有汗水的衣服不能以熱水洗滌 4 化學物質也會引起過敏症 過敏源分為吸入性和食入性兩種 吸入性過敏源有塵 羽毛 花粉 黴菌等 食入性過敏則有蝦 蚌類海鮮 牛奶和蛋白等 真正 兇手 的化學物質是建材和裝潢材料等釋出的甲醛 甲苯 二甲苯 和對二氯苯 就會引起噁心 暈眩 失眠 頭痛 氣喘 皮膚炎等症狀 化學物質過敏症病人接觸到極微量化學物就會引起噁心 暈眩 頭痛 喉嚨痛 眼睛痛 失眠 氣喘 皮膚炎等症狀 少用芳香劑和除臭劑 以免造成甲醛的威脅 使用綠色建材 對於化學物質也從少用甲醛著手 台灣兒童氣喘的人數比過去增加了約八倍 日本化學物質過敏症的先驅石川哲教授指出 10人中即有1人可能罹患化學物質過敏症 5 為什麼豬油炒菜不易起油煙 油脂依來源可分為植物性與動物性油脂 植物性的油脂多為不飽和脂肪酸甘油酯 常溫下為液體 如沙拉油 而動物性的油脂為飽和脂肪酸甘油酯 常溫下為固體 如豬油 油脂的飽和與否有測量的方法 碘分子易加成於不飽和的雙鍵或參鍵上 因此利用碘的克數來衡量該油脂的不飽和度 我們稱之為碘價 豬油為飽和性脂肪 有較多的凡德瓦爾力 所以能耐較高溫度 高溫下不易氣化 相對的油煙也就較少了 值得一提的是 豬油為膽固醇含量高的食物 且飽和脂肪酸含量較高 易使低密度脂蛋白增加 因而提高人體膽固醇含量 故不宜多食用 脂蛋白 lipoprotein 在血漿中主要功能是將脂肪運送到身體各部 脂蛋白主要有 VLDL 極低密度脂蛋白 LDL 低密度脂蛋白 和HDL 高密度脂蛋白 三種 LDL到血管壁後 會把膽固醇囤積在細胞 造成血管阻塞 是動脈血管硬化主因 HDL恰巧相反 從肝臟出來到血管壁後 會把膽固醇帶出細胞 運回肝臟代謝 保護血管免於硬化 6 為什麼喝酒過多易亂性 且走起路來東倒西歪 甚至還會嘔吐呢 剛開始喝酒時身體會變暖和 口腔和喉部感覺有些麻辣並覺得舒暢 精神愉快及憂鬱感消失 經胃和十二指腸大部分被吸收於血液中送到肝臟 一部份隨血液到大腦 抑制大腦中樞神經 使大腦皮質活動鈍化 產生解放感及消愁的結果 酗酒 擾亂大腦正常平衡作用 正常的抑制作用機能完全喪失 以致出現語無倫次 行為輕薄 走路蹣跚 舉動笨拙 嘔吐等酒後亂性的行為 7 為什麼用不沾鍋烹煮品 就不會沾黏呢 不沾鍋在內側表面塗了一層特別的高分子材料即俗稱塑料王的碳氟樹脂 聚四氟乙烯 Teflon 具耐酸 耐腐蝕等特性 雖只含氟 F 和碳 C 兩種元素 但氟原子和碳原子之間相互抱得很緊 故它對外界的物質都 不理不睬 即使放在硫酸 王水 aguaregia 三體積鹽酸加一體積硝酸 強鹼中煮 也不會變質 耐酸鹼程度遠遠超過黃金 聚四氟乙烯在250 以上的高溫下 會開始分解 並放出有毒的物質 洗刷時不可接觸硬物 以免 Teflon 塗層被刮傷或刮破 高溫或是刮痕 都會降低不沾鍋性能 8 為什麼喝茶比喝咖啡好 茶葉的成分有粗蛋白質 粗纖維 茶素 多元酚 果膠質 還原糖 澱粉以及一些礦物質等 茶素和多元酚對茶的品質及類別影響很大 茶素其實是幾種結構類似咖啡因化合物的統稱 咖啡因是一種類似植物鹼的成份 茶素中除了咖啡因外 尚含少量之茶鹼及可可鹼 提神 強心 利尿以茶鹼最強 可可鹼最弱 綠茶所含茶素的量最高 剌激性也最強 茶葉裡多酚會和食物中的蛋白質與鐵離子結合 有礙身體對蛋白質及鐵質吸收 喝茶好處多 可以抗癌 降低心血管方面的病變 綠茶中的兒茶素 正如維他命A B C E一樣 是一種抗氧化劑 可以抑制自由基的形成 很多老化的慢性疾病 如癌症 心血管病變等 皆有相關研究報告指出其與自由基的堆積密切相關 台大林仁混教授指出每日喝150ml的綠茶 其抗癌效果最好 且以第一泡茶尤佳 經常感冒的人 早晚以綠茶漱口會有不錯的改善效果 每日咖啡的飲用量 以不超過300毫克為原則 約三杯 咖啡一天喝10杯以上 會引起不安 焦慮 發抖 呼吸急促 以及嚴重失眠 咖啡是一種輕微中樞神經的興奮劑 會增加心臟的收縮 冠狀動脈血管會擴張 對大腦的血管作用卻相反 會使血管收縮 使進入腦部的血流減少 因此適度喝咖啡會緩和頭痛 尤其是偏頭痛 9 不銹鋼為何不易生銹 不銹鋼是一種含鉻 鎢 鎳和硅等之合金鋼 當鐵與空氣接觸容易氧化生銹 但含有百分之十二以上鉻的鋼卻不易發生氧化 家庭中的餐具和炊具皆屬不銹鋼 10 液態電蚊香為何能誘殺蚊子呢 蚊子的剋星 除蟲菊酯 進入蚊子的腦神經來殺死他們 而人類是哺乳動物 體內具有分解除蟲菊酯酵素 故對人類而言是無害的 11 為什麼被水蒸氣燙到比被熱水盪到還嚴重呢 水在100 時熱變成了水蒸氣 而水蒸氣會繼續升溫 所以溫度會超過100 因而被水蒸氣燙到比被熱水燙到還嚴重 即氣體灼傷程度遠比液體灼傷還要嚴重多 12 口罩的使用時機 您能掌握嗎 口罩依其功能性而有不同的分類 1 保暖 防塵用 屬一般型口罩2 活性碳口罩 具多孔隙的結構 主要功能在於吸附有機氣體 惡臭分子及毒性粉塵 不具殺菌功能 對病毒無法防治 13 何謂自由基 對人體有何傷害 自由基 freeradical 是一種帶有單一電子的原子或原子團 如Cl CH3等 氟氯碳化物在紫外光照射下產生氯原子 此種自由基會造成臭氧層破洞 如果進入人體 因連鎖反應造成人體的老化和器官的傷害 正常健康的器官若無污染可存活約120 150年 自由基因其不穩定性 因此在人體內成為一種危險因子 人體內自由基太多 對身體無疑是一種負面因子 對日後埋下癌症的誘因 如抽煙 喝酒 熬夜 空氣污染 不當醫療行為 老化 營養吸收不全等皆可能造成自由基形成 14 咖啡的營養價值及對身體的影響為何 你以為咖啡只有讓你睡不著嗎 那些人應該少喝咖啡 咖啡中所含成分有咖啡因 咖啡酸 綠原酸等等 可以有效對抗威脅我們人體的自由基 自由基是造成許多疾病 如心肌病變 動脈硬化 中風 肺氣腫 帕金森氏症 的主因 少量的咖啡也可增強心肌收縮力 促進血液循環 達到預防心血管疾病的作用 咖啡所含的丹寧酸 具有收斂性及止血 防臭的作用 因此適量飲用咖啡有益身體 咖啡因會降低婦女受孕機會 增加流產的風險 阻礙胎兒的發育 因此懷孕的婦女不宜喝 那些人應該盡量少喝咖啡 空腹前 或飯後 腹瀉者 胃酸過多的人 患有胃及十二指腸胃 發育中的兒童 懷孕期間正在授乳的婦女 有精神方面疾病的人 正在服用鎮定的人 患有腸道過敏症候群者 抽菸的人喝酒之後 易失眠的人 限制鉀攝取的腎臟患者 老年人等 15 市售 通樂 中 主要成分為何 市售 通樂 中 除了苛性鈉以外 還有片狀 鋁片 催化劑 染料等