探索科學文理補習班（啟發探索 專業科學）

適合閱讀年齡：小四以上

相關科學知識：浮力、靜力平衡、體積、質量與密度關係

何謂浮力？

也就是物體在液體中減少的重量，並且作用力方向向上。如某物10公斤重，置入某液體後，經測量在液體中的重量為7公斤重，因此物體受到的浮力大小則為3公斤重。

阿基米德對浮力的看法。

物體放入液體中所排開的液體重，則為物體在液體中所受到的浮力。如某物10公斤重，置入某液體中後排開的液體體積5公升，但是液體重為4公斤，則物體受到的浮力則為4公斤重。

同物體放入不同的液體中，浮力一樣嗎？

答案：不一定。要看沉體或浮體。

所謂沉體，即物體置入後，靜止在液體中不動，或持續向下沉入底部。所謂浮體，則是物體會浮在液面上。

當物體放在不同液體中，若都是沉體時，由於物體排開液體的體積，不論在何種液體，液體的體積都一樣。因此液體的密度越大，則浮力越大。因為阿基米德說：「浮力＝排開液體的重量」，所以相同體積乘以越大密度的液體，重量越重，當然浮力也就越大。

當物體放在不同液體中，若都是浮體時，物體受到的浮力是一樣的。若以力學平衡的觀點來看，當物體浮在液面時，此時向上的浮力＝向下的重量。因此物體不論放置在何種液體，物體的物重不變，因此浮力相同。以排開液體體積來看，物體浮在密度小的液體時，則排開的液體體積大，若物體浮在密度大的液體時，則排開的液體體積小，因此將兩者排開不同的液體體積乘以液體密度，會得到相同的大小，也就是相同的浮力。

生活中對浮力觀念的誤解，造成讀到物理中的浮力難以弄懂！

試舉以下對話，你能以科學的角度提出哪裡的說法有問題嗎？

阿基對米德說：「我昨天去海邊玩水，覺得在海水中比在游泳池中的浮力還要大，所以游泳起來感覺身體浮出水面比較多耶！自然游泳起來阻力較小，所以就快了很多。」

米德說阿基說：「我前天也去學潛水，我們在游泳池中先練習，整個身上背滿重重的裝備，走起路來感覺好辛苦。還好一下水，由於浮力的關係，游泳起來一點也不重。教練說，等學會之後，實際到海中潛水，由於海水的浮力較大，還得要綁上鉛塊加重才可沉入水中呢？」

解答：阿基說的話，有一半是對的，一半是錯的。米德說的話都是對的。

想一想，哪裡錯了！回顧以上的解說，阿基在海上游泳時是浮體，因此受到的浮力沒有比淡水大。但是身體會浮出海面比浮在淡水水面上多，則是正確的。又游泳時，同樣條件下，身體受到的空氣阻力要比水的阻力小，因此在海上浮起的身體較多時，游泳的速度較快也是沒錯的。

米德因為潛水時是沉體，又因海水密度比淡水大，所以在排開相同體積的液體時，自然是排開的海水重量比淡水的重量大，因此米德說的沒錯。

自我思考練習：

一艘船從海水駛入淡水河中，船所受的浮力如何變化？又船吃水的水線如何變化？

又船公司為什麼常以船的排水量來說明船的噸位（重量）呢？

探索科學 2016/10/24

其實，衛福部食藥署澄清，這是蛋品經煮久後，進而產生硫化鐵所致，屬於正常現象，並不會影響食蛋的安全。對此，我想把該時事，轉為國中同學科學素養的能力提升。

雞蛋水煮去殼後，偶而會發現蛋黃和蛋白接觸面呈現灰綠色，這是因為蛋在加熱時，蛋白中蛋白質的含硫胺基酸生成硫化物（主要是H2S），與蛋黃的鐵（Fe）反應生成硫化亞鐵，這是正常現象，並不影響食蛋的安全。

硫化鐵（化學式：Fe2S3）、硫化亞鐵（FeS）和（FeS2）都是鐵的硫化物。硫化鐵不存在於自然界，是種十分不穩定的產物。它在溫度超過20°C時，易分解為FeS和硫，反應式如下：
Fe2S3 → 2 FeS + S↓

問題一：未受精的雞蛋中，含有幾條染色體？又染色體位哪裡？（G7）
答：23條。蛋黃中的小白點（細胞核）。

問題二：雞蛋煮熟的變化，屬於物理或化學變化？（G8）
答：化學變化。

問題三：110克重，體積100cm3的雞蛋放入水中，是浮還是沉？所受的浮力為多少？（G8）
提示：物體密度大於液體密度為沉體，反之小於為浮體。沉體的浮力為排開的液重，浮體的浮力則為物重。
答：110/100＝1.1 1.1>1所以為沉體。
體積100可排水體積100＝水重100克＝浮力

問題四：為什麼Fe2S3叫硫化鐵，FeS叫硫化亞鐵？（G8）
提示：Fe+3價為鐵離子，Fe+2價為亞鐵離子。

問題五：如果每顆水煮蛋含硫化亞鐵1微克，100公克的水煮蛋，可表示成多少ppm(即mg/kg)？（G8）
答：10ppm

問題六：104公克的硫化鐵，可分解出多少克的硫化亞鐵？（G8）
提示：（Fe原子量56，S原子量32）
答：係數比＝莫耳數，1：2＝0.5：1
1莫耳＝X克/分子量88 硫化亞鐵＝88克

參考資料：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%AB%E5%8C%96%E9%90%B5圖片來源：http://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/2038949

看到彈珠汽水爆炸傷人的新聞，同時想到近年來多次研究有成的乾冰汽水。因此藉由此題，談談兩個同為自製的「汽水」，其背後是否安全？如何自製？以及相關的科學原理？

「彈珠汽水」主要以檸檬酸和碳酸氫鈉化合後，所產生的二氧化碳來做為汽水中的「氣」。若其中再加入糖、香料等物質，則可自製成汽水。

化學反應式：

2C₆H₈O₇ ＋ 3NaHCO₃ → C₆H₅Na₃O₇ ＋ 3CO₂ ＋ 3H₂O

由計算莫耳濃度的計算可知（國二下自然第一章），若以19.2克的檸檬酸（C₆H₈O₇）和15.2克碳酸氫鈉（NaHCO₃）混合，可以製得13.2克的二氧化碳（CO₂）。

「乾冰汽水」不需化學反應，因為乾冰就是二氧化碳，它是-79⁰C之下凝固的二氧化碳固體。因此只要將乾冰加入糖水中，就可製得汽水。也許很多人也有過經驗，就是園遊會中冒著白煙與泡泡的乾冰汽水，但是喝起來一點「氣」也沒有，又是原因為何呢？

由於二氧化碳在常溫常壓下，溶解於水中的溶解度很差，因此任其昇華變成氣體的情況下，實質溶解於水中的量是非常少的，所以此種作法的乾冰汽水是喝不到有「氣」的。

若是將乾冰放入密閉的寶特瓶中，由於昇華的二氧化碳將瓶內的壓力大大的提升，提高了二氧化碳在水中的溶解度（國二上自然第二章），以此製得的汽水才喝得到「氣」。又因為氣體在低溫下的溶解度較佳，因此以冰水或放在冰箱製得的乾冰汽水，汽水中的含氣（二氧化碳）量會更多（國二上自然第二章），所以喝起來會更嗆更辣。

以下提供二氧化碳在不同的溫度下，在100克的水中其溶解量為何，從中即可發現溫度對於氣體的溶解量其影響是蠻大的。

溫度        0⁰C         10⁰C         20⁰C          60⁰C

體積（公升）   0.1713     0.1194       0.0878       0.0359

註：二氧化碳的密度為0.00198cm³/g

在得知了以上的學理，那麼要準備多少的水、多少的乾冰、多大的瓶子等等問題，其實才是重點。因為太多的乾冰，昇華後的氣體若在寶特瓶內產生壓力太大，有可能將瓶子炸開，到時候美味的乾冰汽水，變成了汽水炸彈，這下子冰箱或家裡，可有得刷洗一番了！

探索科學 2016/10/26

觀念澄清～磨平的輪胎無損摩擦力

適合閱讀年齡：小三以上

相關科學知識：摩擦力、兩力平衡、面積、作用力、壓力

何謂摩擦力？

簡單的說，摩擦力就是影響東西移動時的阻力。例如以1公斤重的力量推一張桌子，桌子仍然靜止不動，則桌子和地面的摩擦力就是1公斤重。因為桌子仍為靜止，因此該摩擦力又稱「靜摩擦力」。如果改以2公斤重的力量推桌子仍然靜止，則摩擦力則為2公斤重，我們也可以用「兩力平衡」的觀點來視之。

摩擦力和接觸面積大小無關

如果將一個表面材質都一樣，但是面積大小不同的東西，先以較小面積和地板接觸來推動，然後再以較大面積和地板接觸來推動，哪一個接觸面積產生的摩擦力較大呢？一般我們都會直覺的回答：較大面積的摩擦力較大，但其實是一樣的。因為摩擦力大小和接觸面積大小無關，只和接觸面的材質、物體的重量和推動的力量有關。因此當同一物體時，重量是相同的，又表面材質一樣、推動的力量又一樣，因此摩擦力相同。

觀念大考驗

一、既然接觸面大小無關摩擦力，那麼汽車輪胎有無凹凸紋路，摩擦力相同嗎？如果相同，為什麼胎紋磨平了，我們都覺得行車會很危險？胎紋的作用又是什麼？

答：1.輪胎有無凹凸紋路，表示接觸面積的大小不同，因此和地面產生的摩擦力的確相同。這可以解釋賽車的輪胎是平面的（又稱光頭胎），但不用擔心摩擦力太小的問題。

2.輪胎磨平了，一來表示輪子變薄了，爆胎的可能性增加。二來車子行走在不同的路面條件上，因此胎紋有其他的功能在。

3.胎紋的作用其中很重要的功能是排水。因為當地面有水時，改變了接觸面的性質，因此大大的降低輪胎和地面原本的摩擦力，這時候胎紋可以發揮排水的功能，減少車子打滑，回復原本應有的摩擦力。

另外橡膠質的輪胎極富彈性與形變能力，因此胎紋可以在不同凹凸路面中和地面緊密的嵌合，發揮更為牢固的抓地力。如果胎紋磨平了或輪胎沒氣了，輪胎和地面的摩擦力也會因此受到一些改變。

 自我練習思考：

1.以10公斤重的力量推車子，車子保持不動，此時車子受到的摩擦力為何？

2.腳踏車輪胎有氣或沒氣時，輪胎和地面的摩擦力一樣嗎？為什麼沒氣的輪胎騎起來比較費力呢？

探索科學 2016/10/24 

什麼是「卡」？

「卡」，又稱為卡路里（calorie），是從英文至翻過來的名詞，是熱量的單位，可以用來表示物質含有多少熱量。

「卡」和「大卡」，大不同？

常在電視節目、廣告、甚至新聞報導中，聽到某某食品含有多少「卡」的熱量，常常讓我質疑報導者專業素養，甚至懷疑他的基本國民科學指數。的確，卡是熱量單位，但如同重量單位公克一樣，若1000公克我們會說1公斤，如同長度單位公尺一樣，若會有1000公尺我們則說1公里。而1000卡我們則說「1大卡」或「1仟卡」，因此「卡」和「大卡」兩者相差一個字，卻相差1000倍。也許很多人已經知道，但是往往在講述時，常常忽略「大」字。因此造成「一碗飯有300卡」、「一份大薯有400卡」等離譜的說法，因為光1、2顆飯粒，就差不多是300卡了。也許說的人不強調大卡，聽的人也會懂，無須大驚小怪的。但以科學的觀點，這是國民基本科學須知，不得不提出糾正。就像你會說從台北到高雄要3、400公里，不會說成3、400公尺的道理是一樣的。

一個人一天需要多少卡路里？

每人每天需要約2500大卡的熱量，女生或小孩又會略少一些。如果是運動員或是勞動者，則可能需要3000大卡或更高的熱量。每1卡的熱量可以使得1公克的水，溫度上升1度C，因此2500大卡的熱能，可以使25公斤的水，從0度C加熱到沸騰（100度C）。也可以使大約15公斤的鐵塊，加熱到熔化。依此觀點來看，我們每天吃進體內的熱能是很可觀的，而且還是天天需要，以維持基本的生理機能。

觀念大考驗

一、我們每天吃進體內那麼多的熱能，都跑到哪裡去了呢？

答：維持體溫。我們是恆溫的動物，為了維持體溫的恆定性，因此必須大量消耗熱能。就好比熱水瓶若要維持一定的水溫，必須一直插著電源，隨時控溫或加熱。因此就算我們整天不活動躺著看電視或睡覺，也大概需要1200～1500大卡的熱量。

二、熱能也是一種能量嗎？還有其他單位來表示嗎？

答：1.是的。能量除了有熱能，還有不同的形式，如光能、電能、磁能、位能、核能等。

2.同為熱能的單位還可以用「焦耳」來表示，焦耳是能量的公制單位，而每1卡約等於4.18焦耳。

自我練習思考：

1.不是恆溫的動物，也會像我們一樣需要那麼多的熱能嗎？想一想，蛇、蛙、甲蟲…，為什麼？

2.醣類、蛋白質、脂肪、礦物質、維生素和水等六大營養素中，哪些可以轉換成熱能？相同重量之下，其中哪個的熱能又是最高？

探索科學 2016/10/24

什麼是臭氧層？

臭氧（O3）是氧氣（O2）的同位素，是一種具有特殊臭味的淡藍色氣體。臭氧主要集中在距離地表20～30公里的高空中，因此我們將他稱為臭氧層。因為臭氧可以吸收來自太陽光中對人體有害的短波紫外線，免除生物被紫外線侵害的危險，因此顯得格外重要。

臭氧雖然可吸收紫外線，但可視為「毒氣」，即使暴露在0.1～1PPM中，就可能讓人感到頭痛和刺激呼吸道。臭氧本身活性很強，在常溫下就可以分解成氧氣，因此常被用來殺菌。

臭氧的殺手～氟和氯

含有氟氯碳化物等東西，經使用後分解出含氯或氟的氣體。當這些氣體來到臭氧層時，會和臭氧結合，也就是破壞臭氧層，因此成為臭氧的殺手。當臭氧被破壞後數量變少時，臭氧層就會變得稀薄，我們則將他簡化說成「破洞」。

世界各國早在幾十年前就已經了解這個問題，所以做了一連串的補救措施。冷媒的革新就是其中最好的例子，另外我們也應該從生活中，儘量避免使用含有氟氯碳化物的東西，例如噴霧劑（如泡沫髮膠）、PU發泡物等。

是否在了解了臭氧破壞得原凶後，驚覺怎麼沒有二氧化碳呢？因為二氧化碳根本和臭氧層的破壞一點也沒有關係，而是和溫室效應有所關連。

二氧化碳影響什麼？

溫室效應的原凶是二氧化碳和甲烷（天然氣和沼氣），其中二氧化碳大多從汽機車排放的廢氣和工廠燃燒後排放的廢氣而來。令人訝異的是，大多的甲烷則從牛隻放屁或排泄物的發酵而來，因此養牛大戶的美國、澳洲，才真的溫室效應的最大兇手，但是他們都不太感說明白，講清楚。

觀念大考驗

一、地球臭氧層的破洞為什麼大多在南北兩極的地方？

答：因為南北兩極的溫度較低，會使得臭氧的破壞加劇，因此相對上在赤道附近的國家，較沒有臭氧層破洞問題的困擾。反觀紐西蘭、澳洲、北歐國家等受臭氧層破壞的影響則較大。因此這些國家人民罹患皮膚癌的比例比其他國家大很多，這和紫外線太強是有所關係的。

自我練習思考：

1.標榜臭氧殺菌的洗衣機，以什麼方式來殺菌？為什麼？

2.臭氧層破洞真的是指大氣層破了一個洞嗎？為什麼？

探索科學  羅柏風  2016/10/24