知識就是力量: 2015

2015年8月27日星期四

2015年8月25日星期二

聲波的連續反射

當室內的聲源停止振動後，有些聲波直接傳播至聆聽者的耳朵，其餘大部分的聲波將入射周遭的牆壁、地板、天花板及室內的物體，發生很多次的連續反射(如下圖)，故空氣中的聲波將持續存在，直到所有反射聲波的振幅漸漸減小至聽不見為止。

由此可知，我們實際聽到的聲音，是聲源直接傳播和連續反射的聲音，交疊混合後的呈現效果，因為這些密集連續的反射聲波，傳入耳內的間隔極短(小於0.001秒)，故人耳無法分辨出各次反射回來的聲音(間隔至少要0.1秒，才能分辨回音)，只能感覺到逐漸微弱的聲音。

當我們在開闊的戶外唱歌時，因為歌聲向四周傳播，聲波連續反射的效果不明顯，所以感覺歌聲比較單薄；但是在浴室唱歌時，因為浴室空間較小，而且周遭環境的吸音能力較弱，聲波會發生連續反射，這些無數次密集的回聲和原來的聲音交疊混合，所以感覺歌聲比較渾厚。

為了探究聲波連續反射對於聆聽聲音效果的影響，科學上，以聲源停止發生後，聲音響度減弱至60分貝(dB)，所經歷的時間(交混回響時間)長短來加以評估。

如果聲源所在的室內空間較小，或周圍物體的吸音能力較強，則交混回響(reverberations)的時間較短；如果聲源所在的室內空間較大，或周圍物體的吸音能力較弱，則交混回響時間會變長。由此可知，聲源所在的室內空間大小，與周圍物體的吸音能力，會影響交混回響時間的長短。

以音樂廳內的觀眾為例，因為人體會吸收聲音，所以觀眾人數愈多，交混回響時間愈短；但是觀眾人數愈少，則交混回響時間愈長，此時具有吸音材料的座椅，即可適時發揮調整交混回響時間的功能。

聆聽音樂，理想的交混回響時間依不同類型的音樂或曲目而不同。例如演奏交響樂時，如果交混回響時間太短，則聲音聽起來不夠豐潤；爵士樂的樂聲較快速短促，如果交混回響時間太長，則聲音聽起來反而不夠清晰。由此可知，交混回響時間的長短會影響音樂表現的好壞。

2015年8月24日星期一

為什麼大隊人馬過吊橋時，不能用整齊的步伐？

當大隊人馬以整齊的步伐通過吊橋，他們的行動可以使橋發生擺動，橋梁的結構同時受到巨大的振動，而且隨著有節奏的步伐，一次又一次規律地重複增加橋梁振動的幅度，最後超過橋樑當初設計所能承受的負載時，吊橋會崩塌，這是「共振」惹禍的實例。

另一件在物理界很有名的共振實例是美國塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge），這個橋在建造的時候就振盪的很厲害。1940年11月7日的早上，塔科馬海峽吊橋受到強風的吹襲，使橋身大幅擺動，當振動頻率和吊橋自身的固有頻率相同時，引起吊橋劇烈共振而發生崩塌。

為什麼兩手摩擦中國古代的噴水銅盆，可以讓銅盆中的水不斷向外噴濺？

噴水銅盆是一種用黃銅鑄的薄壁臉盆，兩邊各有一隻環型提手，底部裝飾有魚紋的，稱為魚洗，盆底裝飾有龍紋的，稱為龍洗。

用手緩慢而有節奏地摩擦銅盆的環型提手，可以將能量傳遞給銅盆，當摩擦引起的振動頻率和銅盆壁振動體本身的固有頻率接近或相等時，振幅急劇增大，銅盆壁和水發生共振，因此激起大量水花向外噴出。

為什麼聽見自己錄音的聲音，感覺和平常的聲音不太相同？

人類能聽到聲音，是聲波進入耳多衝擊鼓膜，引起鼓膜振動，刺激聽覺神經，傳導訊號給大腦，因此能分辨出各式各樣聲響。

當我們聽自己說話的聲音時，部分聲音是經由頭顱骨振動將聲音傳遞給聽覺神經的，和一般由外而來的聲音比較起來，感覺上會有點不同，故我們聽錄音後播放自己的聲音，會感覺不太像。

2015年8月23日星期日

為什麼將水很快地從瓶子倒出時，會噗噗地響？

如果把裝滿水的瓶子水快速地傾倒出來，此時空氣會進入填補空檔，於是水和空氣發生了衝擊，就產生噗噗的聲響；如果改讓水慢慢的自瓶口流出，此時空氣和水可以同時進出，較不會相互衝擊，就聽不到噗噗的聲音了。

為什麼溪水流動時會產生潺潺的聲響？

當小溪的水往流時，它裹住了一部分的空氣，形成了許多小氣泡，小氣泡破裂時就發出聲響，同時小溪裡的水衝到石塊和凹凸不平的地方，也會引起空氣的振動，因此產生潺潺的響聲。

為什麼乾的紙張撕起來聲音很響，濕的紙張撕起來聲音卻較弱？

紙張的材料主要是由植物的纖維製成，當我們撕開乾的紙張時，纖維的振動比較激烈，故聽到的聲音響度較大；而濕的紙張撕起來時，纖維的振動比較微弱，故發出來的聲音也較微弱。

為什麼蟲飛的時候，會嗡嗡的響？

當蜜蜂、蒼蠅、蚊子飛過你的耳邊時，它的翅膀會不斷的快速振動，因此我們可以聽到嗡嗡的聲音。但是蝴蝶飛舞時，它的翅膀每秒只能振動約5~8次，因此我們聽不到蝴蝶飛舞時的聲音。

2015年8月22日星期六

氯化鈉溶於水到底是物理變化還是化學變化

氯化鈉原來就是離子化合物，固體時靠庫倫力正負離子互相吸引，溶解時，在水中解離成氯離子與鈉離子，各自形成水合離子，而鈉的水合離子是錯合物，如果把錯合物當作化合物，那就有新的化合物產生；如果不把鈉的水合離子當作化合物，就沒有新的化合物產生。

如果把鈉離子換成同一列的鎂離子，甚至鋁離子，隨著金屬離子價數的增加，產生的水合離子水解反應會愈來愈激烈，水溶液的pH值會變低；例如：氯化鋁溶於水，濃度高時，其pH值可以到4左右，就是水合離子產生劇烈的水解反應結果。所以，鹽類的溶解，在微觀上實在不適合歸類於「物理變化」。

水分子的結構式是呈V字型，H-O-H夾角105度，其中O-H是由氧原子和氫原子共用電子所形成的共價鍵(covalent bond)，但是氧原子對共用電子的吸引力較大，所以共用電子。(shared electrons)靠近氧原子這端的時間較氫原子長，使得氧原子稍微帶過剩的負電，而氫原子稍微帶正電，由於這種不均等的電荷分配(unequal charge distribution)，所以水是極性分子(polar molecule)。

當離子固體(ionic solid)溶於水時，正離子(帶正電)被水分子的氧原子(帶負電)吸引，負離子(帶負電)被水分子的氫原子(帶正電)吸引，這種過程稱為水合作用(Hydration)，水合作用會導致鹽類在水中溶解，而正負離子之間的強烈吸引力被水合離子之間的交互作用力(water-ion interaction)所取代，所以從微觀的角度，氯化鈉溶於水是化學變化。

2015年8月21日星期五

奈米科技與生活

本文將以食、衣、住、行、育、樂及醫療美容等七大方向，分別探討奈米科技為人類帶來之福祉。由於範圍廣闊，本文就日常生活常見之事物，精簡的舉一些例子說明，包含已產業化的應用或仍在研發中之科技。

1、食

奈米化陶瓷複合材料所發射的遠紅外線波長具有食物保鮮之功能，將其做成裝盛食物的盤子或編織物覆蓋於食物上，皆可達保鮮之功效，而市場上所謂的「奈米冰箱」，便是添加此類奈米陶瓷複合材料於冰箱內，用以增加保鮮效能，並能降低冰箱所製造之熱效應，減少電力浪費。奈米鈦塗料之奈米結構具有自潔性，將其塗佈於裝盛飲水或食物之容器表面，可減少結垢之發生。

在農業生產方面，將物質奈米化工程應用於農藥時，可提昇防治病蟲害效果，增加農產品之產能，若用於肥料，則有促進農作物吸收養分之效果。在食品應用上，奈米化食物由於表面積大增，可提昇養分吸收效率，強化營養物質之效用。添加具氣味加強劑之奈米顆粒於低卡路里食物，不但可使食物美味，又可不必擔心吃過多造成的肥胖問題，這對每年毛利高達300多億美元之人類肥胖減重產業將具極大吸引力。

2、衣

奈米化纖維可使紡織品光澤優雅、質感細緻，且可提昇紡織品之機能性而更輕薄、柔軟、保暖，而其奈米結構具自潔之功能，一旦被油汙沾染時，用一般清水即可洗滌乾淨，因此博得「奈米免洗衣服」之稱。衣服纖維中添加奈米級二氧化鈦或氧化鋅等無機粉體材料時，可吸收陽光中之紫外線，使紫外線對衣服之穿透率降至小於1%，大大減少紫外線對人體之傷害，此技術較傳統塗層抗紫外線方法更具持久效果，而抗菌除臭為其另一附加之特殊優異功能。

奈米聚丙烯啨纖維表面具超疏水性質，若適當安排纖維間距使水蒸氣能自由穿透，就可製得拒雨水且可排汗水之舒適紡織衣物。在鞋墊應用上，奈米物質遠紅外線纖維具吸濕排汗功能，可防止穿於腳上的襪子發生變濕發臭等擾人問題。

3、住

奈米化建材或塗料可具有防水、防火、自潔、質輕、環保、耐震及高強度等特性。應用於奈米光觸媒的涼風扇、冷氣機及空氣清淨機等電器，由於奈米化顆粒的高化學活性，可增強光分解反應之效益，因此其淨化空氣、除臭、殺菌或抑菌等清潔功能極為優異。馬桶、洗臉盆、浴盆等衛浴設備之表面鍍有奈米級的塗料顆粒時，可填平傳統釉料的粗糙坑洞，使衛浴設備表面細緻光滑，除了可防髒污外，更能抑制雜菌繁殖。奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度及高穩定等性質，可作為省能高效率之照明設備。

在居家生活或工廠排放之汙水處理方面，傳統處理方法在奈米科技加入後更是如虎添翼，例如奈米級淨水劑具有高表面積，可有效吸附汙水中之汙染物；奈米微氣泡技術突破傳統水處理技術，可大幅提升汙水處理速率及效能；奈米鐵顆粒可將汙水中之三氯乙烯分子進行脫氯反應，而轉變成生物易分解及低毒性之乙烯分子，且可將Cr⁶⁺或Cr³⁺離子還原成無毒性的Cr金屬。

4、行

奈米複合材料之使用，可使車體重量減輕、強度增強、抗熱、耐腐蝕。橡膠輪胎若摻入奈米碳顆粒，可增加輪胎之耐磨性與抗老化性，使輪胎壽命大增。在汽機車排放廢氣處理方面，奈米化之化學反應催化劑，有極高比表面積，故具較強之催化活性，可在短時間將廢氣轉換成不具毒性的氣體。例如奈米碳管能吸收戴奧辛，可有效處理空氣污染物；奈米金粒子催化劑可將一氧化碳轉化為無害的二氧化碳、氮氧化物還原成氮氣及氧氣、催化水煤氣轉移反應及加速臭氧的分解；二氧化鈦奈米顆粒是成熟的光觸媒，可應用於廢氣處理及空氣清淨方面。至於空氣污染所造成的臭氧層破壞問題，目前聚苯乙烯高分子奈米氣膠已實證證實可有效包覆破壞臭氧層的過氟烷(perfluorodecalin)，有助於維護地球臭氧層。

此外，奈米能源技術的開發，可使人類免於依賴日漸枯竭的石油，例如以奈米觸媒技術將太陽的光能轉換成電能，並進一步以電能將水分解，產生繼石油之後無污染的新能源－氫氣，而奈米碳管則是具有高儲氫能力之材料，至於其他新能源技術發展如太陽能電池及固態氧化物電池等，都是奈米科技之應用。

5、育

奈米高密度磁紀錄紀錄材料可增加記憶儲存容量達傳統磁材的數十倍，而奈米光碟的超大量更可達一般光碟容量的百萬倍，且能增加資料保存效能。傳統矽材料之電子電路技術為微米級層次，然當奈米技術引進後，非但可加速電腦晶片運算處理速度，更可加強省電效益。由於目前半導體界所追求的是愈來愈細微之製程，矽材或其他半導體技術終有其功能極限，而奈米碳管的高傳輸速度與密度近年來逐獲青睞，有取代現代電子設備之勢，或許未來全世界的電腦只需幾十台就夠用了。在印刷技術方面，奈米技術之導入可大幅改善油墨質地及印材設備，具有極細緻、精確的高品質色彩印刷。一般紙張加入特殊奈米塗劑時，具有防水防油之功能，可延長書籍之壽命。

6、樂

將半導體界成熟的奈米製程技術用於手機通訊晶片，可使通訊影音傳輸更快、品質更清晰細緻、功能更多元化。奈米碳管可應用於場發射顯示器(FED)，其成本相當於傳統映像管電視(CRT)，但其影像顯示品質卻媲美高畫質數位電視(HDTV)，並兼具重量輕、強度強而厚度薄之優勢，甚至可做成紙片形式，便於捲曲收藏及攜帶。奈米化之電池隔離膜可大幅提升化學電解反應效益，進而提供高容量電池電力，用以延長手機、數位相機、筆記型電腦等3C產品待機使用時間。手機電磁波對人體健康威脅一直是大家關心的話題，而奈米化金屬粉末可吸收電磁波，能作為手機輻射遮罩之用。奈米銀原子團簇在有機化學還原劑中能有效還原成銀粒子，藉以提升相片感光品質及縮短照片沖洗時間。

7、醫療美容

醫療檢驗方面，奈米生醫晶片可取代傳統繁雜人工檢驗步驟，並可使檢驗平台微小化；奈米金粒子可利用其特殊的顏色變化來做驗孕、藥物成癮、肝炎、愛滋病毒及梅毒等之篩檢。在疾病治療方面，奈米醫藥不易使細菌產生抗藥性，可逐漸取代目前之抗生素；奈米技術可做定位給藥、顯微注射，用以消除人體內之癌細胞、病毒或細菌。例如以糖衣包裹的奈米氧化鐵粒子，可躲過免疫細胞的吞噬而進入腫瘤組織，利用交換磁場技術而使氧化鐵停留於欲作用位置，藉由攜帶進入的藥物將腫瘤癌細胞殺死；具足球狀奈米結構的「碳六十」，可快速吸引愛滋病毒而與之結合，藉此用以減低病毒毒素，並阻止病毒之擴散，可提供治療愛滋病的另一方向。