自然科學概論

出自六年制學程
在2016年5月4日 (三) 10:25由丁志仁（對話 | 貢獻）所做的修訂版本

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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

2016.03.17

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

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

取自「http://well-being-ng.net/wiki1231/index.php?title=自然科學概論&oldid=21967」