自然科學概論

概述

課程目標

• 對物質科學、生命科學、天文與地球科學三大領域進行基本介紹。
• 由丁志仁與張溫瑜共同負責，原則上由張溫瑜進行探究與實作設計。
• 上課方式：講解、實作、影片、參訪、科幻小說或科幻電影討論

可參考的用容

1. 大霹靂。4%+23%+73%。
2. 質、能、時、空。
3. 質能是同一種本質。(※E=MC²)
4. 時空都是維度。
5. 大尺度與小尺度。
6. 次方表示式。
7. 宇宙的建材：夸克與基本粒子。
8. 重力、電磁力、強作用力、弱作用力。
9. 力引發加速和運動，造成動能、位能轉換。
10. 灌注能量到一個粒子，一方面粒子質量會變大，一方面速度會加快。快到光速之後，速度就不能再加快，只能讓質量變大。
11. ※怒月和恐龍滅絕。
12. 物質和反物質。
13. 物質波。(※量子力學)
14. 暴漲。膨脹與冷卻。(冰箱和冷氣的原理)
15. 恆星的生老病死。第二代星系。
16. 宇宙的結局。
17. 怎麼知道地球是圓的？
18. 怎麼量地球的大小？(用日影長度)
19. 基本幾何(三角、幾何、圓、比例、解二次方程式)
20. 萬有引力定律 F=G*M₁M₂/r²
21. 用兩鉛球測出萬有引力常數 G 。
22. 角動量守恆。
23. 傅科擺。
24. 公轉與自轉，年與天。四季。
25. 地球鐵心和地磁。
26. 地磁保護地球。
27. 地函對流。
28. 地殻、板塊運動。
29. 地磁反轉和中洋脊。
30. 海洋。
31. 大氣。
32. 水的三態(※實驗)
33. 地球的年齡。
34. 電磁力。
35. 元素與週期表。
36. 碳六十分子模型。同素異形體。
37. 常見化學反應，酸鹼中和、燃燒。
38. 西方的風、水、土、火和東方的金木水火土，明朝皇帝取名字。
39. 地球的主要元素。
40. 光合作用。
41. 月球的起源：忒伊婭撞了地球，穩定了地球的自轉。
42. 18次的冰河週期。
43. 盤古大陸的分分合合。
44. 太陽內部粒子減少，只能增溫維持體積=>地球只有15億年的生物黃金時期。(地球從誕生到終結p141)
45. 生命是什麼？
46. 宗教的看法：我們從來處來，在紅塵中歷練，再回到來處去。
47. 細胞、多細胞個體、種族、全球生態系。調度內外資源，延續自身的存在。
48. 從無生物到生物，膜，生滴。
49. 複製自己：蛋白質、RNA、DNA。
50. 龍捲風中吹出一部勞斯萊斯，猩猩瞎按打字機打出一部莎士比亞作品。
51. 吞噬與共生，粒線體與葉綠體。
52. 生命的長河：DNA。
53. 核膜。
54. 逸散系統。(非線性入門)
55. 養分+氧+粒線體->水+二氧化碳+ATP
56. 生命調節地球：是生物使得地球適合居住。
57. 有性生殖。
58. 演化。
59. 五界。
60. 埃迪卡拉紀的諸怪物。
61. 寒武紀大爆發。
62. 動物界主要十門出現。
63. 脊柱出現：視、聽、嗅球出現，腦出現。
64. 脊索動物門：軟骨魚綱、硬骨魚綱、兩生綱、爬蟲綱、鳥綱、哺乳綱。
65. 溫血：機動、夜行。
66. 精 vs 大：質(k)策略-哺乳，適合穩定環境；量(r)策略：樹癭蠅、竹米、蟬，適合暴好暴不好的環境。各有千秋
67. 演化的高低偏見。
68. 物種是小數量級(生命)對大數量級(環境)的動態反應。生命用基因數目的數量級、基因快速翻番的數量級，去拼物理力、化學力的數量級，再嚴峻總還有存活機率。
69. 哺乳動物：透過經驗傳遞，去超越基因傳遞。群性帶來了相互學習；需要童稚期幫助經驗傳遞，又引發了親情。
70. 800萬年前直立：腦容量加大、用手、早產。此後直立、腦大、幼稚期、語言、社會互動演化。
71. 10幾萬年前只剩幾千人。
72. 腦即心智，概說腦。
73. 人類的其他系統(生物性其實很簡單)：運動、消化、循環、呼吸、排泄、生殖、內分泌。抓東西來吃、消化它們變成養分、送到身體各處、配合氧產生能量、排出燃燒後的各種廢物、撐到產生下一代；用內分泌調節各系統。
74. 現代人的起源與遷徒：膚色、身高、鼻子高低、髮絲形狀的適應演化。乳糖不耐症。
75. 石油挖完了怎麼辦？
76. 美食中的化學
77. 千變萬化的塑膠
78. 選舉的數學理論
79. 演化、性象與認知
80. 化蛇毒為藥
81. 病毒

選定的內容

1. (原36)碳六十分子模型。同素異形體。
2. (原13)物質波。(※量子力學)
3. (原1)大霹靂。4%+23%+73%。
4. (原2)質、能、時、空。
5. (原12)物質和反物質。
6. (原16)宇宙的結局。
7. (原37)常見化學反應，酸鹼中和、燃燒。
8. (原47)細胞、多細胞個體、種族、全球生態系。調度內外資源，延續自身的存在。
9. (原58)演化。
10. (原64)脊索動物門：軟骨魚綱、硬骨魚綱、兩生綱、爬蟲綱、鳥綱、哺乳綱。
11. (原70)800萬年前直立：腦容量加大、用手、早產。此後直立、腦大、幼稚期、語言、社會互動演化。
12. (原76)美食中的化學。
13. (原78)選舉的數學理論。

修課同學的建議

• 施馨檸：
  1. 天文學
  2. 地質學
  3. 相對論
• 柯智懷：
  1. 量子力學
  2. 分子的種類
  3. 離子
  4. 氧化，還原
  5. 天氣科學
  6. 大氣層中物質的交互作用
• 丁禾
  1. 生物的演化
  2. 生物的構成和運作機制
  3. 人科動物的演化

科幻小說或科幻電影

• 奈米獵殺
• Reading 的四個方向
  1. R1(Report 報告)
  2. R2(Reaction 反應)
  3. R3(Relation 連結)
  4. R4(Rebuild 重建)

修課同學的報告

• 施馨檸：影片翻譯「兩億年來的地球」
• 丁禾：影片翻譯，待定
• 李彥廷：脊索動物門
• 柯智懷：規畫科博館兩日參訪行程

電腦桌機分配

• 7號:李彥廷
• 2號:施馨檸
• 1號:丁禾
• 3號:柯智懷

各次上課內容

2016.02.25

• 本課程說明
• 共讀小說說明
• C₆₀
• 各種尺度
• 我們的地球有多大
• 兩億年來的地球
• 冰封地球
  1. 地球何時被冰封？
  2. 地球為什麼會被冰封？
  3. 地球為什麼沒有被繼續冰封？
  4. 地球後來為什麼沒有再次被冰封？
• 埃迪卡拉紀的諸怪物
• 討論各次上課內容
• 決定同學的報告主題
• 重新布置 517
  1. 每人一部 PC
  2. 調整座位
  3. 調整延長線
  4. 測試區
  5. 處理使用區電腦：EmEditor、filezilla、firefox

2016.03.03

• 量子力學基本觀念解說
• 超乎想像的宇宙3：量子躍遷(剪為 26 分鐘半)
• 問題：「是不是只有當你在看它的時候，月亮才在那兒呢？」
• 綠光繞射頭髮實驗

2016.03.10

• 分子重組與化學鍵
• 碳酸氫鈉加醋酸
• 復習量子力學重要觀念

2016.03.17

• 同學「奈米獵殺」、「愛因斯坦赤道」閱讀討論。
• 請四位同學先撰寫 R1,R2,R3,R4 ，做為討論的基礎。
• 同學報告內容：
  1. 自然科學概論/閱讀討論/李彥廷
  2. 自然科學概論/閱讀討論/丁禾
  3. 自然科學概論/閱讀討論/柯智懷
  4. 自然科學概論/閱讀討論/施馨檸
  5. 自然科學概論/閱讀討論/張溫瑜

2016.03.24

• 丁丁去複診糖尿病
• 偶然與必然
  1. 洗牌後找出特定牌局排列的機率極小
  2. 退相干
  3. 時間之箭
  4. 熱力學第二定律
  5. 宇宙的結局

2016.03.31

• 科學教育館參觀
• 準備報告，結合科教館展覽與目前已學到的
  1. 李彥廷：化學
  2. 丁禾：生物
  3. 柯智懷：物理
  4. 施馨檸：物理

2016.04.07

尺度與形狀

• 多項式圖形計算機
  1. 體積 V=x³
  2. 表面積 A=6x²
  3. 體積/表面積 R=1/6*x
  4. 圖：600×400，原點：-200,2400，每單位：x:100、y:10
  5. 圖：600×400，原點：200,300，每單位：x:10、y:1
• 設散熱:每平方公分每秒可散 5 卡，產熱:每立方公分每秒產熱 1 卡
  1. 產熱/散熱 比值為何？
     • 產熱=h*x³*每秒1卡
     • 散熱=k*x²*每秒5卡
     • 產熱/散熱=h/5k*x
  2. 身長幾公分時，散熱與產熱均衡。Ans:此時 產熱/散熱=1，x=5k/h
  3. 身長大於此時，產熱大還是散熱大，要如何調適。Ans:產熱/散熱>1，產熱>散熱，生物以降低代謝率(減少產熱)，或搬到寒帶(增加散熱)因應。
  4. 身長小於此時，產熱大還是散熱大，要如何調適。Ans:產熱/散熱<1，產熱<散熱，生物以提高代謝率(增加產熱)，或搬到熱帶(減少散熱)因應。
  5. 舉出自然界中的相關現象。
• 腿部粗細，設腿部分平方公分可以承受1公斤的重量，腿太粗會浪費能量。
  1. 腿部壓力：
     • 體重(公斤)=h*x³/1000克
     • 腿部橫向總截面積=k*x²
     • 腿部壓力=體重/腿部橫向總截面積=h/1000k*x
  2. 身長幾公分時，腿部壓力剛好是每平方公分1公斤。Ans:此時h/1000k*x=1，x=1000k/h
  3. 身長大於此時，腿部壓力大，要如何調適。Ans:生物以改變形狀加粗腿(增加腿部橫向總截面積)因應。
  4. 身長小於此時，腿部壓力小，浪費材料，要如何調適。Ans:生物以改變形狀將腿變細(減少造腿的材料)因應。
• 昆蟲大小，昆蟲細胞得到氧氣是靠氣管表面積和氧擴散，沒有肺部，也只有微弱的心跳。
• 微紀元
• 地球大氣氧含量的變化：
  

  

  過去十億年地球大氣的氧含量

1. 地球形成初期的二十多億年裡，地球大氣處於負氧狀態，可能與熔岩冷卻消耗有限的氧氣有關。
2. 24億年前地球上發生了一次「大氧氣事件」（GOE)，大氣層中的含氧量達到1-3%。有研究認為可能與疊層石發育有關。
3. 此後近二十億年一直保持這種低氧比重
4. 7-6億年前，在這一億年間，大約是「雪球地球」時期結束後，又發生了一次大規模的「造氧事件」，目前推測是大陸普遍覆蓋著淺海濕地，藍藻繁殖迅速，使得氧氣比重從1-3%上升到10-12%左右。
   • 由於含氧量的提高，導致了「埃迪卡拉紀軟體生物興盛」，並進而促成了「寒武紀生物大爆發」。
5. 當時大氣中的二氧化碳比重更高，氣候溫暖，大陸聚集在赤道附近，高大的蕨類植物生長茂盛，植物間的密度極高，樹與樹之間的間距甚至少於30厘米，在光合作用下，植物生長消耗二氧化碳，並吐出大量氧氣。
   • 由於木質素的形成，而分解植物的菌類尚未出現，導致大量的碳隨著植物的生命週期而被固化沉積到地下，使此後的石炭紀高質量煤礦的形成成為可能。
6. 與此同時，大氣中的二氧化碳比重下降，氧氣比重大幅度上升，在石炭紀後期達到地球歷史上大氣含氧比重最高的階段。
7. 二疊紀末，大約2.5億年前，地球歷史上最嚴重的一次生物滅絕發生，90%以上的生物滅絕了，西伯利亞地區大規模的熔岩湧流，地殼內部的二氧化碳甲烷噴出，整個大氣層的構成改變，含氧比重急劇下降。
8. 直到三疊紀中期，地球環境才趨於穩定和改善，生物植物再次繁榮，氣溫升高，恐龍的時代來臨。這個繁榮一直持續到6600萬年前的白堊紀末期，在小行星撞擊優卡丹半島並形成CHICXULUB隕石坑之前，地球上已經再次開始地殼的破裂，發生在印度的德干高原地區，形成大規模的熔岩「省」。而小行星的撞擊更是加劇了地殼的變動，在此後的近百萬年裡急劇地改變了地球的生態，造成了恐龍的滅絕和哺乳動物的興起。
9. 同時，大氣成分中的構成也再次發生改變，氧氣的比重逐步下降到目前的水平。

2016.04.21

美食中的科學

• 分子美食簡介
• 維基百科「分子食物」條目
• 均岱體驗廚房分子料理食譜教學
• 美食背後的科學密技

2016.04.28

• 膠水硼砂球試做
• 顯微投影機試做
• 顯微放大鏡試做

2016.05.05

1. 請依上周操作，補充活動須留意事項
2. 膠水、硼砂的彈性與黏性來源的解釋
   • http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-024.html
   • http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876
   • http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=46567
3. 非牛頓流體
   • http://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-011.html
   • http://zfang.tc.edu.tw/425.html
4. 美食中的化學補完
5. 額外準備燃燒及酸鹼中和的實驗以填滿時間
   • http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40466