物理與生活CHAPTER 06

(1)

物理與生活

CHAPTER 06

(2)

C o n te n ts 6-1

物理學與其他基礎科學的

關係

6-2

物理在生活中的應用

(3)

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物理 A 06 物理與生活

一、數學

數學是基礎科學裡最重要的一科，經過伽利略、克卜勒和牛頓的投入，不約而同發現用數學來描述物理是較適切的，之後的物理學家們也都跟隨著走上這條路。

P128

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一、數學

因為要與宇宙對話、洞悉蘊藏在宇宙中的所有物理秘密，依靠數學是最公正客觀也適切的，所以數學對物理而言並非只是工具，而是一種語言，數學能將物理定律或理論以數學形式翻譯出來，讓世人可以更容易理解學習。

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二、化學

化學探討原子分子結構及元素、化合物等的作用關係，但難免會牽涉到導電、導熱性等物理性質的應用，熱能、位能和核能等能量的計算，基本粒子間各種交互作用，這些都和物理學息息相關，而近代物理的量子力學也可解釋部分元素週期表性質及化學反應關係。

P128

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三、生物學

生物學於觀察微小生物或結構時，藉由光學顯微鏡或電子顯微鏡等精密儀器的協助，才能有更豐碩的成果，生物學的基因調控、蛋白質動力學、結構生物學和細胞信號傳遞都是具

有物理性質的生物系統，透過物理學的原理分析，生物學的發展才可邁入更高的境界。

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四、天文學

天文學的浩瀚未知一直深深吸引科學家的投入，從早期光學望遠鏡到目前的哈伯天文望遠鏡及各種宇宙輻射觀測儀，觀測儀器的設計原理都與物理有關，而天文學中討論星體光度、密度、溫度等物理性質以及星體間相關交互作用的理論都是物理學家積極投入的領域，在理論和實測互相支援並進之下，一步步去開拓無垠無涯的宇宙。

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四、天文學

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四、天文學

發現號太空梭

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五、地球科學

地球科學的研究包含地球內部、陸地、海洋和大氣層的結構和變化，地震的發生，洋流潮汐的運動，

颱風、龍捲風等大氣現象，基本上都是一個個龐大複雜的物理系統，同時有很多能量、作用力等條件必須考量，由許多物理定律在控制著，須用物理學來建立模組進行分析研究。

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一、光電效應

1887 年德國物理學家赫茲首先發現用紫外線照射金屬時會產生些微火花，此現象稱為光電效應

（ Photoelectric effect ），後來他的學生德國物理學家萊納德（ Philipp von Lenard ， 1862 ～ 1947 ）深入研究後，確定了光電效應的性質。

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一、光電效應

所謂光電效應是指以光照射金屬表面時，可將電子打出形成電流的現象，而被打出的電子稱為光電子，形成的電流稱為光電流。

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一、光電效應

萊納德發現的性質如下：

(1) 入射光頻率必須大於底限頻率才能產生光電流，

底限頻率會隨金屬種類而異。

(2) 入射光頻率小於底限頻率時，無論強度多大都不

會產生光電流；但若大於底限頻率時，即使強度

微弱亦可產生光電流。

P129

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一、光電效應

(3) 產生光電流後固定頻率，光電子數與入射光強度

成正比。

(4) 光電子的最大動能與入射光頻率有關，但與強度

無關。

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一、光電效應

P129

公式 6-

1

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一、光電效應

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一、光電效應

光電效應在日常生活中的應用很多，最常見的有太陽能充電站、太陽能電池、電視冷氣機或鐵捲門的遙控器、

超商結帳用的條碼掃描器。

P130

(18)

解

下列有關「光電效應」的敘述，何者錯誤？　

(A) 入射光頻率大於金屬底限頻率就會發生　

(B) 產生光電效應後，入射光強度越強則光電流越大　 (C) 同一金屬，入射光子能量越大，被打出的光電子動

能就越大　

(D) 入射光照射時間越久，光電流就越大

(D)

光電流強度與照射時間無關

(19)

離開 ^P130

答

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二、物理學的應用

( 一 ) 半導體

(21)

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( 一 ) 半導體

P130

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( 一 ) 半導體

(23)

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( 一 ) 半導體

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( 一 ) 半導體

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( 一 ) 半導體

P131

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( 一 ) 半導體

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( 一 ) 半導體

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( 一 ) 半導體

積體電路的優點在於體積小、耗電量低、性能穩定，因此目前大量應用在電腦、手機、家電產品、

汽車、電子錶、武器、通訊設備與航太等等，是臺灣科技產業的核心之一，例如台積電就是全球最大的晶圓專工半導體製造廠。

(29)

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下列有關「半導體」的敘述，何者錯誤？　 (A) 可製成映像管　 (B) 導電能力介於導體和絕緣體之間　 (C) 利用在邊長數毫米的小晶片上的電路稱為「積體電路」　

(D) 積體電路的發明，使得電子產品走向「輕、薄、

短、小」的趨勢　 (E) 數字型手錶、掌上型計算機都以半導體元件為主要元件。

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解

(A)

(30)

有關積體電路的特點，下列何者為非？　 (A) 使得電子產品走向「輕、薄、短小」的趨勢　 (B) 主要材料為半導體　 (C) 耗電量高　 (D) 性能可靠。

答

(C)

。積體電路耗電量低。

(31)

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雷射（ LASER ）是 Light Amplification by Stimu lated Emission of Radiation 的縮寫，中文意思為受激輻射式光波放大。

現代人的日常生活與雷射息息相關，不論是超市的條碼機、家中的影音光碟機、老師上課使用的指示筆，或是在工程、醫學、軍事和工業上，也都大量使用雷射，所以它已是一個高度成熟並廣泛應用的工具。

P132

(

二 ) 雷射

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當原子或分子從高能量狀態（激發狀態）回到低能量狀態時，會釋放出光（電磁波），稱為自發輻射，當自發輻射的光撞擊其他高能量的原子或分子時，又會再次釋放出同樣性質的光，稱為受激輻射。

(

二 ) 雷射

(33)

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受激輻射釋放出來的光非常微弱，但以特定方法增加帶有高能量的原子或分子，就能引起雪崩般的受激輻射現象，釋放出強烈的光，再藉由共振器將光增幅強度更高，即形成雷射。

P132

(

二 ) 雷射

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(

二 ) 雷射

雷射是單一波長的同調性光源，具有集中性高、強度高、指向性高等特性，因此常被使用在工藝上的精密切割、醫學上的雷射手術切割、軍事國防上的瞄準、導彈的導引信號和晚會舞台效果設備等，不同的功率強度各有不同領域範圍的應用。

(35)

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(

二 ) 雷射

超市條碼掃描儀雷射所製造出的壯觀視覺效果

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(

二 ) 雷射

皮膚美容的雷射利用雷射精密

(37)

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P133

(

二 ) 雷射

1969

年時，美國太空人利用登陸月球時曾放置

的反射面鏡，發射雷射光束，再記錄光束反射回來所需的時間，精準地測量出地球和月球間的距離。

隨著雷射技術的進步，相信它可為人類帶來更多層面的廣泛應用。

(38)

下列哪一項不是利用雷射的現代科技產品？　

(A) 電腦光碟機　 (B) 超市條碼機　 (C) 光纖通訊　 (D) 微波爐　 (E)CD 唱片。

解

(D)

(39)

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下列有關雷射的敘述何者不正確？　 (A) 雷射是受激輻射而將光增強　 (B) 雷射是應用古典光學知識所做的重大發明　 (C) 雷射可用於精密手術　 (D) 雷射光具準直、光度強、光束不發散的特性　 (E) 雷射用不同的材質製成，可發出不同顏色的光。

P133

答

(B)

(40)

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(

三 ) 平面顯示器

1.

液晶 LCD 顯示器

傳統映像管（ CRT ）電視是利用電子槍將電子打 到屏幕上，需要有體積龐大的陰極射線管，而液晶 電視（ LCD ， Liquid Crystal Display ）則 是由液晶面板和背光模組組成，故可做到輕薄的外觀，液晶顯示器有輕薄、省電、輻射低等優點，所以映像管電視機才會被取代。

(41)

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P133

(

1.

隨著 LCD 顯示器技術日漸成熟，應用層面也愈來 愈廣泛，例如液晶電視、電腦顯示器、數位相機、

智慧手機等都有應用，而隨著技術進步與量產，價格亦越低廉。

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(

1.

液晶是介於固態和液態之間的一種物質，它是在

1888

年由奧地利的化學家萊尼哲在測量有機物的

熔點時無意中發現，是在熔解過程所出現的一個狀態，並且只出現在某一段特定溫度內，這種同時具有固態晶體光學特性及液態流動性狀態就稱為液晶。

(43)

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P134

(

1.

液晶電視智慧手機

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(

1.

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P134

(

1.

背光模組提供穩定光源，藉由調控外加電壓來控制液晶分子旋轉改變其折射性，進而控制透射光在不同的彩色濾光片上得到豐富的色彩影像，如下圖所示。

(46)

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(47)

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下列有關「液晶」的敘述，哪些正確？　 (A) 運用液晶做成的顯示器，簡稱為 LCD 　 (B) 液晶是液體加熱後出現的物質相態　 (C) 在液晶顯示器的基板上塗覆彩色濾光膜，可呈現彩色　 (D) 液晶的性質介於液態與氣態之間。

P134

解

(A)

、

(C)

。

(48)

下列有關液晶的敘述，何者正確？　 (A) 液晶已取代傳統真空映像管，達到輕薄、短小及省電的發展需求　 (B)TFT-LCD 稱為薄膜電晶體液晶顯示器，是利用薄膜電晶體產生電壓，為目前最熱門的平面顯示器　 (C) 液晶和液體一樣具有流動性，分子排列像晶體一般有排列，故稱為液晶　 (D) 對液晶施加電壓就可改變液晶分子的排列方向。

答

(A)(B)(C)(D)

。

(49)

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P135

OLED

電視具有鮮艷及輕薄等優勢

2. OLED

顯示器

有機發光二極體 （ Organic Light Emitting

Diode

，簡稱 OLED ）， OLED 顯示器原理是利 用電流驅動有機薄膜發光，不同材料可發出不同色光，進而達到全彩的效果。

(

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2. OLED

顯示器

(

(51)

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P135

2016

年 LG 利用 OLED 的可 繞曲性 製成的高畫質 OLED 電視隧道

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超導體（ superconductor ）是指在特定溫度

下，可以呈現零電阻和完全抗磁性的導體，其中零電阻和完全抗磁性是超導體的兩個重要特性：

(1)

零電阻：是指在超導體內可產生毫無損耗的永久電流。

(2)

抗磁性：是指在超導體外加一磁場時，超導體會

(

四 ) 超導體

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P135

(

四 ) 超導體

超導體磁浮現象

(54)

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超導現象開始發生的溫度稱為超導臨界溫度，超導材料依臨界溫度可分為低溫超導體和高溫超導體。所謂的「高溫」是相對於絕對零度而言，其實遠低於攝氏

0℃

。提高超導材料的臨界溫度至常溫始終是物理學家們追求的目標，目前高溫超導體的最高溫度記錄為

203K

（− 70℃ ）。

(

四 ) 超導體

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超導體應用最常見的有利用在醫療或研究用的核磁共 振（ NMR ）、磁振造影（ MRI ）設備，將人體置 入高磁場巨大圓筒形的掃描儀中，將體內氫原子共振放出的電磁波訊號轉換成影像，各組織成像的精細度比斷層掃描高，另外在磁浮列車、高能物理實驗用的加速器以及未來的超導發電機和超導傳輸線都是超導體亟待開發的領域。

(

四 ) 超導體

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奈米碳管的彈性極高，其張力強度比鋼絲強上百倍，

但重量卻極輕，且兼具金屬的性質與半導體的性質，

故奈米碳管的應用範極廣，可以用作電路中的連接件、電路開關、平面顯示器等。

(

五 ) 奈米科技

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P136

奈米碳管的發現者飯島澄男預估，不久將來可製造出省電、厚度僅數公釐的大面積奈米碳管顯示器，以及具有極高儲存電力，但極輕的重量，可改善現有電池所有缺點的奈米碳管電池，如同電池工業的一場革命，未來對電動汽車工業極有幫助。

(

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奈米碳管也很有可能成為替代矽和其他半導體材料，

開發出比現有傳輸速度與密度高五十倍至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設備。

(

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P136

(

奈米碳管

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在自然界中，其實也存在著許多奈米結構，最具代表性的就是蓮花效應（ lotus effect ），蓮花之所以 能夠出淤泥而不染，就是因為其表面有大約 10 奈米 的疏水性纖毛，這些蠟質纖毛是不沾水的，可使荷葉具有自我潔淨的功效。利用相同概念，以奈米級顆粒製成的油漆或是衛浴設備，可減少灰塵及髒污的附著。

(

(61)

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P136

在醫療上，也可應用於藥物、注射或是手術方面，以提升醫療品質，並縮短病人術後復原的時間。

(

(62)

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(

荷葉上的水滴呈現球狀，是因為荷葉表面的

(63)

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P137

解

(A)

(64)

下列哪一項不是奈米科技的應用？　 (A) 奈米碳管　 (B) 半導體奈米雷射　 (C) 二氧化鈦奈米管製作的太陽能電池　 (D) 液晶電視

答

(D)

。

(65)

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漂浮一個超導體

https://www.youtube.com/watch?v=PXHczjOg06w

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A A Q Q

&

超導體可以應用在那些科技上？

答：

磁浮列車、核磁共振或迴旋加速器的巨大磁場、能量儲存、超導電纜

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