物理系参与理学院环境科学专业学程改进基础教学实验计画

1、物理系參與理學院環境科學專業學程改進基礎教學實驗計畫一、 計畫緣起與目的:物理系教授同仁有鑒於普通物理實驗著重於物理基本原理的印證，非物理系本科的學生很可能不再有機會接觸物理實驗，對日益重要的環保意識明顯欠缺有系統的認知。因此提議設立這門實驗課，作為本校擬議中的環境科學學程課程之一，並提供非物理系的高年級學生能有機會接觸人類與自然界溝通的幾個物理機制的運用原理。藉課前約一小時的理論解說讓他們瞭解原理、藉實作增加他們的認知、再藉討論提昇他們的決策能力。課程內容涵蓋大氣現象，汙染物偵測與蒐集，能源輻射對人類文明的影響，以及節約能源與環保的折衷科技。簡單易行而且涵蓋光、電、磁、熱與游離輻射等基本物理

2、量，相信可以合七位專業教授之力，以最低成本具體提昇教學效果。教學目的: 學生必須學會幾類相關的自然現象與物理機制的關聯、能具體道出這些物理量的測量方法；瞭解游離輻射的種類與偵測方法，學習面對高科技帶來的便利與危機，放棄逃避與恐懼。二、 發展基礎、條件與潛力:中央大學的中長程發展計畫為拓展環境科學以強調本校大自天文以降的研究、以至地球科學、物理、化學、生科等基礎科學和遙測中心等對我們生存環境的認知，提供本計畫絕佳的成功基礎。環境科學學程正在本校理學院提案作業中，環境物理實驗課程將作為學程必修課程之一。物理系七位教授將投入教具與講義製作。分四年完成建構。所有實驗系統將統一放置於現有教學物理實驗室中

3、統一管理。課程由七位教授輪流逐年開授。實驗內容的再充實則列入物理系學生的實驗專題，視四年後經費與人力的許可情形緩步擴充。三、 計畫內容說明:環境物理通識實驗是中央大學理學院擬議中的環境科學學程的必修課程之一。教導學生環境有關的現象與變故如何由物理定律與幾種物理參數掌控與認知。作為利用科技調和人類文明與大自然的張本。與分析化學技術和環境毒物偵測技術共同建構認知自然的基本能力。環境物理通識實驗由物理系倪簡白、伊林、李敬萱、陳鎰鋒、張元翰、趙治宇和易台生七位教授分別負責教材編撰與教具採購、裝配。由易台生統合進度與撰寫報告。由七位教授分年輪流開課。授課方式為先由老師講授基本原理與實驗注意事項，然後由學

4、生操作實驗，最後整理數據，討論報告內容後離開。學期末整理結果中的精華作公開口頭報告。1. 靜電集塵趙治宇負責簡介: 靜電集塵實驗重點乃使學生瞭解灰塵微粒受電場感應出電偶極距, 因而被電場吸引蒐集, 同時並學習測量電場強度改變所造成被吸附灰塵微粒量變化之關係以及相關之環保技術.實驗進行方法：靜電集塵的方法通常用於空氣清凈機之內部，而空氣清凈機的主要功能是吸取室內濁的空氣，經集塵，脫臭，除菌等處理後，再排回室內。較大的塵埃只要用一般的濾棉便可濾除，但臭氣則必須以活性碳濾棉方可濾除。此外香煙或花粉等極細之粒子必須用靜電集塵法才可除去。它是在兩片相對的放電電極與集塵電極之間施加高電壓，令污濁的空氣通過

5、其間，如此帶電的污濁粒子會往對面的集塵電極板移動，並附著在上面, 帶電離子放電的過程會使周圍產生負離子, 能有益人體建康, 形成與森林的空氣一般的環境。實驗設計著重於使學生瞭解施加電壓大小與濁空氣通過速率之改變對集塵能力所造成的影響, 同時亦將利用不同之煙霧製造器為濁空氣源(不同大小之極細粒子), 讓學生學習集塵器對不同顆粒之細分子所具有之集塵能力。預期成果以及學生能力提升:學生能夠瞭解灰塵微粒 受電場感應出電偶極距因而被電場吸引蒐集之原理, 同時並使得學生熟悉測量電場強度改變所造成被吸附灰塵微粒量變化之實驗操作, 同時透過精編的實驗講義使學生熟悉相關之環保技術, 以及藉由訓練學生親手設計並組

6、裝其他簡易型空氣清淨機之實驗設備而能夠學習到思考找尋解決問題的能力並能培養創造力.2. 溫室效應實驗倪簡白負責簡介本實驗目的為了解溫室效應對空氣環境的影響。溫室效應與氣體對輻射的吸收與穿透有關。在地球表面上，由於可見光是可穿透大氣層，而紅外光被吸收。所以造成熱能的貯存，引起溫度的上升。一般而言適當的溫室效應是使地球保持平均溫度280k而造成生命衍生的主要原因。而過度的溫室效應會使地表溫度如金星般白天達700k。金星的表面溫室效應是由於二氧化碳的累積，使地面氣壓達100大氣壓（93bars）。 目前由於地球大氣層二氧化碳逐年增加，溫室效應受到重視，據估計在50-100年CO2會倍增而引起地面溫度

7、上升5-10。CO2是引起溫室效應的主要介質，在本實驗中即想針對溫室效應的原理來進行一些實驗。以增進學生對溫室效應與氣體及輻射三者間的關係。溫室效應與輻射及熱力學有密切的關係。以地球來說明，我們可以將它看成一個280k的輻射體，而太陽為一6000k的輻射體。前者的最強輻射波長為10m 的紅外線，而後者卻是0.5m之可見光。這種熱輻射的觀念在物理系不少課程如量子物理或熱物理均有介紹，因此在教學上已有基礎。 至於氣體平衡溫度的測量及變化更是自普通物理即引進的觀念。測量溫度不論在基礎物理或實驗物理中均常有的物理課程，相信在工程科學中也一樣。實驗進行方法：本實驗將對一密閉容器內注入CO2或氮氣，光源自

8、外通過穿口射入。由於器壁為黑色故對可見光完全吸收而變熱， 此熱能經碰撞傳到氣體使氣体溫度增加。 觀察二種不同氣體造成室內溫度之影響。 學生學習成效將由其書面於口頭報告來考核。光線通過透明溫室正如穿越地球大氣達到地表，地表吸收可見光變熱發射紅外光波CO2吸收並使週圍增溫。(1) 溫室：預備以鋁框壓克力製成，邊緣開一直徑10窗口讓光源可以射入另一面塗黑代表地面。(2) 光源：利用太陽燈(Solar Simulator 300 Watt)(ORIEL：model 81192)(3) 溫度測量：數位式溫度計(4) 氣體：分別使用CO2，N2，及空氣(5) CO2指示器：測量二氧化碳濃度實驗步驟：(1)

9、 將CO2灌入溫室內，此時將排氣閥打開。（注意：勿使溫室氣壓超過一大氣壓否則有爆開之慮）(2) 開太陽燈，每五分鐘測量溫度一次，記錄最高溫度。(3) 代換N2進行類似實驗比較結果之不同。3. 熱對流實驗 伊林 負責 簡介對流為一廣泛存在於自然界流體中的現象,除了與能量的傳遞有關外，相關研究亦在物理、機械、化工、環境科學、與生物學界廣泛探討。諸如各型熱系統的設計，空氣與海洋污染的形成與消除，生態系形成等。 對流系統流體本身的非線性特性亦為近代非線性物理重要課題。在此實驗中,我們將對在不同溫度差下的流體對流行為與其對於懸浮其中不同型態之載子運動之影響進行探討建立學生對此基礎物理現象與量測方式的認識

10、。實驗進行方法：長期以來,因為其實用性與複雜程度, 對流現象的探討始終是科學界與工程界所熱衷的重要研究課題, 除了是流體中能量傳遞的重要途徑外, 對於週遭環境的影響更與日常生活有密不可分的關係. 例如於交通工具於流體中航行的安全, 空氣與海洋污染的形成與消除, 生態系的繁衍,等等, 皆須考量對流的效應. 近期墾丁海濱珊瑚產卵即受海洋對流的影響. 此實驗將設計一理想的液體槽,利用熱與力學方式於其中產生對流現象, 並於液體中懸浮比重接近但型態不同的微小物質, 利用光學與影像處理之技術,分析於不同溫度梯度與外力下,所造成的對流現象,及相應的懸浮物動力行為.實驗所需之液體槽為一長寬高各為30 cm,

11、30 cm, 3 cm的壓克力盒, 在熱對流實驗中, 將位於長邊的兩端邊界以金屬片代替,並利用致冷晶片及恆溫控制器,引入一固定並橫跨液槽之溫度梯度 (圖1),藉以產生熱對流,與流體的自組形構. 而另一組力學實驗中,則以步進馬達以定速來回驅動一淹沒於液體中的壓克力棒,藉以產生對流現象 (圖2). 而後,分別在液體中置入比重與液體相當的懸浮微粒,絲狀物,軟表面物質, 輔以適當照明,可由外部所架設的攝影機,擷取懸浮物影像,再經由數位影像處理過程加以分析. 並另外架設傳透液體腔的雷射光束,利用光二極體接收於不同位置下的散射光,以了解在空間中固定點的懸浮物運動餘時間上的分布. 整體實驗架設如圖三所示.於

12、懸浮微粒實驗中,可將微粒視為追蹤子,藉由其運動速度與方向,建構對流形成與穩定過程,甚至由對流至空間自組形構相時於相變點附近的動力行為與流場變化. 而絲狀與軟表面物質更可藉由影像處理方式,了解一維與二維軟物質在對流場下,所展現出例如聚集,糾結,形變,與相應解構的動力過程. 相關現象的研究, 可對比於高分子與生物蛋白質薄膜於流體中的運動. 實驗器材壓克力 40 x 80 x 0.3 cm x1壓克力 30 x 3 x 3 cm x1釣魚線 x1鋁片或銅片 30 x 3 x 1 cm x2矽膠 x1 懸浮物 粒狀,絲狀,面狀 各x1致冷晶片 5 x 3 cm x12直流電源供應器 x1恆溫控制器 x

13、2步進馬達 x1ccd 攝影機 x1影像擷取卡 x1Laser Diode x1Photo Diode x1高速AD/DA Card x1PC x1預期結果熱對流實驗當逐漸增加溫度梯度,首先會導致接近高溫端的流體產生小幅度對流,進而帶動追蹤子的運動,而後此一對流區域將逐漸控大至整個液體槽,亦即相應於熱傳導對流.此時對流的空間結構並無特定尺度. 持續增加溫度梯度至一臨界溫度,液體槽中的對流會形成空間上的規則結構,亦即自組形構的發生,持續改變溫物梯度至特殊臨界點將導致此一空間結構的週期改變. 在各臨界點附近,流場均會伴隨非正常流場演變.力學驅動對流實驗當驅動力小時,由追蹤子的軌跡可得較大尺度的環流

14、結構,而當驅動力反向時,會導致大型環流的碎裂,而後重構為反向之大環流結構. 而當驅動力大時, 對流將以較小尺度的湍流型態展現, 追蹤子運動軌跡的時供相關性也降低.絲狀懸浮物在較慢速對流中,主要將以自身隨流場形變展現, 亦可觀測到少量的糾結與解構的情形. 當系統進入湍流形成階段, 由於絲狀懸浮彼此糾結,將導致空間中形成數個絲狀物團隨流場運動的型式. 絲狀團的強度,與先前之糾結型式有關, 當彼此深度纏繞,此一絲狀團的解構機會極低.軟表面懸浮物會在對流場中產生型態上如摺疊,扭曲等的改變,進而帶動周圍流體產生細微流場變化, 此一變化會導致表面與表面間流體的進出,進而形成等效的表面表面吸引力或排斥力,此

15、一作用力會因液體遭軟表面的遮蔽效應,而有特定的時空尺度,亦會造成微弱的軟表面聚集現象,由於此一聚集並無伴隨實體糾結,在小尺度湍流的干擾下,將伴隨解構過程的發生.4. 超微量物質偵測李敬萱負責簡介：超微量質譜分析研究在表面科學，大氣研究以及空氣污染方面都是必要的組成部分。本實驗課題，即為使一般理工科學生對微量質譜分析有一定的了解，從而在實際的工作中也能了解許多相關實驗、技術及原理。本實驗的基本環境是要建立一個高真空系統（10-6 Torr 以上），再加上一台氣體分析儀(Residual Gas Analyzer, RGA)，在高真空中可以對微量氣體做定性與定量的分析。預期效果分析儀相對來說屬於較

16、高精密的儀器，當學生使用該儀器時，必須了解內部結構及物理原理，才能勝任操作，相信當學生能透徹理解真空及RGA的原理，並成功的操作這兩項系統時，該生應當有相當的能力與準備可進入一般研究實驗室工作，而不致茫然無序。.所需設備： （1） 建立一半徑5英吋，長為10英吋之真空腔室（不銹鋼）。（2） 真空閥門控制真空泵與真空腔室的連通。（3） 測量真空所需之離子真空計，熱偶真空計。（4） 機械真空泵與擴散真空泵或離子真空泵。（5） 氣體分析儀（RGA）。5.汙染測量倪簡白負責簡介環境中的微量污染物監測是目前環保科技中重要的一環。 本實驗將首先學習污染物中金屬原子之探測技術。 金屬原子污染源於用品 (例如

17、油漆 或器皿中)， 受到污染土壤 或空氣中 對人體會造成腦部或其他器官的傷害。其實金屬污染只要極其微量就十分嚴重（例如水或空氣中滲有百萬分之一之水銀或鎘就對人體健康造成影響），因此為進行有效監視，具有極高靈敏度之偵測技術就相當重要。在諸多污染探測實驗方法中，光譜探測乃是一種較為常用的方式，金屬污染中較嚴重的是汞、鉛、鎘等，本實驗即針對汞及鎘的光譜測量原理進行幾項測驗，例如原子吸收與螢光測量，光譜儀原理，及共振吸收方法等項目。光譜學原理在一般以物理，化學，或工程背景的學生都在課程中有機會學習，因此這種實驗對以理工為背景的學生應很適當。本實驗目的為訓練學生增進原子光譜方面的了解以及對金屬原子的吸收

18、光譜測量。將有助於了解吸收光譜應用至微量物質的探測。實驗進行方法：原子吸收光譜（AA）是一種廣泛應用於微量物質偵測之分析儀器，它在分析化學、環境監測、材料檢測是極為有利的工具。原子光譜的基本原理雖然在物理系大學課程中（如量物、近物、原子物理）教授，但物理系學生卻很少有機會接觸此一實驗技術。其實本實驗對物理系光學實驗或近代物理實驗均很適合。在本實驗中，學生可獲得原子物理、光譜學、吸收光譜之知識。加以實際動手操作更有助益於基本原理之了解。一般AA儀器目前有分火焰與高溫爐式二種，前者是將含有待測原子之溶液或固體在火焰中燒成蒸汽，再利用同類原子光譜進行吸收。而石墨 式則將待測物放在高溫石墨爐中氣化再測

19、量吸收。本實驗採預備用石墨式，測量一些金屬原子，如鋅、鐵、鉀、鈉等。並將對微量元素（ppm）進行分析。學生學習成效將由其書面於口頭報告來考核。在高溫石墨爐中微量原子經氣化。 原子燈源使用空心陰極放電燈。 再利吸收光譜方法測量微量元素的涵量。(一) 實驗設備：（1） AA原子吸收光譜儀（2） 原子光譜燈管（Hollow cathode）（3） 光學材料一批（透鏡、固定架等）（4） 石墨爐（5） 高溫電源（6） 電腦（7） 實驗桌6. 輻射偵測實驗陳鎰鋒負責簡介本實驗目的在增進學生對自然環境中輻射源來源及其對人體影響之認識。、及射線不同於熱、光、電可為人類感官直接感受，因了解不足容易引起常人對輻射

20、線的恐懼，然而日常生活中不可避免地接觸到宇宙輻射，地表輻射及醫療輻射，此實驗以宇宙輻射及地表輻射為主要實驗對象。 針對現今大學學內容欠乏核物理及基本防護常識。此實驗補充這方面教材，以期學生對自然環境中輻射有所認識，同時建立正常防護常識。教材含自然環境中輻射來源及成份，、及射線對人體影響及屏蔽效應。實驗進行方法：1. 自然輻射背景及其起伏：以攜帶型蓋革計數器測量自然背景中帶電宇宙射線數目及此數目隨測量地點變化情形。首先讓學生體會在日常生活中來自宇宙射線的輻射背景並熟悉蓋革計數器及統計起伏。過去的經驗中學生可能將蓋革計數器帶回宿舍或家內檢驗自己生活環境，或比較室內、室外之差異，特殊例子是攜帶至核電

21、廠及輻射鋼筋屋實地量測。2.1 日常生活常見之輻射(含人體內)：以蓋革計數器測量自然鉀(如化學葯品硫酸鉀)中K-40之含量，或一般家用低鈉鹽(含KCl)之輻射量，並與自然鹽比較。此實驗以自然鉀中含0.0118%的K-40同位素為”輻射源”，以蓋革計數器測量輻射計數與重量(原子數)關係，確定輻射是由鉀原子所發出。比較硫酸鉀及一般家用低鈉鹽(含20%KCl)或自然鹽(無KCl)之計數，實際體認自然界(含食用之低鈉鹽)就存在輻射。2.2 顯示器及建築物之輻射： 一般建材如水泥、砂、大理石、花岡岩或鋼筋均可能含有微量輻射，由學生自行以蓋革計數器測量，以消除對媒體大肆渲染之輻射屋的疑慮。相對地，家用電視

22、或電腦顯示器通常會有游離輻射(因電子槍射到螢幕產生)，以蓋革計數器貼近螢幕及距離螢幕不同距離所測得計數，可了解游離輻射存在及保持安全距離即可達到遠離游離輻射目的。3. 屏蔽效應：在上述實驗中分別加上鉛片或投影片，即可觀察到屏蔽效應。上述實驗大抵為游離輻射，可以不同張數鉛片或投影片加在蓋革計數器之前，即可達到屏蔽效應，使學生在體會自然輻射存在之後，也具有基本防護常識。4. 粒子偵測：粒子穿透力弱，相對RBE值極高，對人體傷害最大，如氡氣。以真空式表面位障偵測器示範粒子穿透空氣能力，並由逆向偏壓控制表面位障偵測器空乏區深度，由輸出訊號大小直接量測粒子穿入表面位障偵測器的深度。此實驗目的在示範偵測粒

23、子技術及粒子穿透力。將真空式表面位障偵測器抽至10-5torr以下即可收集射線能譜，由此可分辨核種及數目。如將真空程度分次調回大氣壓，可發現射線之低穿透力，同時是高RBE值。5. 自然輻射(地表輻射)之核種判別：以CsI(或NaI)晶體可偵測微量射線數目，判別放射核種，是檢測自然輻射利器。閃爍晶體是偵測微量射線最好工具，但相關儀器含晶體、光電倍增管、高壓、放大器、A/D轉換、MCA(多頻訊號分析)及操作軟體，因而操作上較為複雜。此實驗將操作部份固定，以期學生專注收集資料。以標準核種(Cs-137，Co-60，Na-23)校正系統，再取未知射線樣品以找出未知射線之核種及強度。需添購儀器：單 價數

24、 量金 額攜帶蓋革計數器5萬630萬真空式偵測器10萬220萬偵測器(含MCA卡、軟件及PC)35萬270萬 合計： 120萬參考書籍：1. G.F. Knoll：Radiation Detection and Measurement(2nd edition) (J. Wiley, 1989)2. 翁寶山：原子科學導論(茂昌圖書)7.無冷媒冰箱張元翰負責簡介一般的冷氣與冰箱運用氟氯化物當冷媒，造成臭氧層的被破壞。無冷媒冰箱(冷氣)因而是環境保護的重要因素。本實驗中利用半導體之熱電效應，嘗試製造一個無冷媒的冰箱。實驗進行方法：實驗的重點包括: (1) 製作冰箱，以商用致冷片為主要元件，輔以適當的隔熱材料及循環系統。 (2) 測量其致冷效率: 利用發熱電阻在箱內產生固定的熱流。調整致冷片之電壓，使冰箱內溫度達到平衡。此時即可測量其效率。 (3) 以同樣的程序研究一般冷氣的致冷效率。 (4) 數據分析及討論: 重點在於比較無冷媒冰箱和一般冰箱的差異，包括其致冷效率，冷媒的問題，能源的問題等等。所需儀器:1. 普通小冰箱1 台2. 直流電源供應器 (12V, 2A, 5V, 5A)3. 電表 2 只 (可測大電流)4. 溫度計材料