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Contents

2020 MARCH

603

0

COVER STORY

P 20

運動,現在就開始! 大量運動就是好?

1

找到合適自己的運動處方 韓德生

P 22

要怎麼吃?怎麼動? 2

從醫學角度談運動科學 林俊忠

P 26

減重就等於減肥? 3

身體哪有這麼簡單 侯建文

P 30

減重不如先減壓— 4

身體脂肪的秘密 賴佳妤

P 34

用對「力」了嗎? 5

從健身器材中尋力學、找物理 陳億成

封面 說 說 話

P 38

〈透視運動〉

不是有動就好—

看似平凡的運動,其實蘊藏許多訊息與研究。本期封面讓讀者戴上「科學 AR 眼鏡」,眼前浮現各種資訊介面,詳細記錄著心率、血壓和卡路里等數據。 然而,面對眾多數據該如何篩選呢?理解後該如何調整運動習慣呢? 跟上專家的腳步,一起來認識運動科學吧! Let's go!

6

談運動與大腦認知生理 朱瓊苓、洪聰敏

P 42

SCIENCE MONTHLY Vol. 51 No. 3

1


Contents-2 特別報導

填問卷.拿新書 只要於 2020 年 3 月 31 日前,

4 2019 新型冠狀病毒最前線/李依庭

完整填寫讀者問卷調查,就有

7 口罩,到底保護了誰?勤洗手其實也很重要啊!/林翰佐

機會獲得時報出版的新書的新

8 面對病毒,到底哪種效果好?簡介居家消毒常用藥品/王渝溥

書《 怪 奇 科 學 研 究 所:42 個

12 對抗病毒不可或缺的免疫力—    從人體免疫系統談疫苗技術發展/沈家瑞、羅聖旻 書 摘

18 《怪奇科學研究所:42 個腦洞大開的趣味科學故事》 News Focus 46 任務歷時 16 年 史匹哲太空望遠鏡功臣身退/    外表如同爆米花 首張高解析度太陽表面照片/    鈉離子奈米通道薄膜 可增進化學反應效率

腦洞大開的趣味科學故事》。 詳細問卷內容請至以下連結

bit.ly/2uZR9I4 或掃描 QR code 填寫。所有題目及聯繫資料皆 須詳實填寫,否則將喪失抽獎 資格。 獲獎名單將於 2020 年 4 月 5 日 之前公布於《科學月刊》網站 (www.scimonth.com.tw)。

47 教室裡的實驗課 讚美 V.S. 責備?/壓力如何導致一夜白了髮? 48 顯影:西里伯斯鹿豚/游崇瑋 思辨之評

50 沉默的鳥類殺手—窗殺事件/王齡敏 52 蒼藍一粟/金升光 專 欄

54 數不勝數:拆數解列—從等比數列談數字的韌性/林家妤 58 格物致知:改變軍事與能源的力量—核分裂與核融合/高崇文 62 物換星移:提升地震災害防治與準確度—    2020 年臺灣震度分級新上路/潘昌志 66 前瞻未來:讓我替你飛—無人機機型大盤點/賴盈誌 精選文章

70 來企 SAY 夜市—科工館的「直覺 × 科學 × 推理機率特展」/林家妤 追憶年華

76 藉半世紀的回顧 再談都卜勒效應/欒丕綱

2

科學月刊 2020.3

bit.ly/2uZR9I4


臺北市科學出版事業基金會

走進編輯室

董事長:劉源俊 董 事:王文竹 周成功 林基興 邱韻如 郝玲妮 高涌泉 曾耀寰 羅時成 秘 書:李金穗 出版者:科學月刊社

走過感染風暴 2020 年初始,日子可說是過得戰戰兢兢。這兩個月以來,全世界籠罩在嚴重特 殊傳染性肺炎(Coronavirus Disease 2019, COVID-19)的陰影下,惶惶不安。 起因為去(2019)年年底,以中國湖北省武漢市為中心向外爆發的不明傳染病,

理事會 理事長:曾耀寰

至今不僅已造成 7 萬多人感染,更導致 2000 多人死亡。

理 事:曲建仲 林翰佐 邱韻如 紀延平 張敏娟 程一駿 蔡孟利 蔡政修

距離上一次發生冠狀病毒大規模感染人類事件得追溯至 2003 年,當年在臺灣, 有 346 人遭到感染,其中造成 73 人因此死亡。爆發感染的過程中,和平醫院的

執行總監:趙軒翎

封院事件,更是臺灣人民不願再重蹈覆徹的傷痛。當年懞懂年幼、對於 SARS 的印象只有畢業旅行因此被取消的小學生,如今也即將邁入而立之年。然而,

編輯部 總編輯:林翰佐 副總編輯:趙軒翎 蔡政修

17 年後的現在,冠狀病毒以另一型態再次席捲而來,感染全球。

編輯委員:王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌 李精益 周鑑恆 林秀玉  林宮玄 邱韻如 金升光  金必耀 門立中 紀延平  范賢娟 倪簡白 高啟明  高憲章 張大釗 張敏娟 

「無遠弗屆」、「地球村」帶來便利,進而縮短國與國之間的距離,卻也因而 讓病毒的擴散更加快速且容易,使防疫容易出現破口。「買到口罩了嗎?」取 代近期人們的問候語,醫院、百貨公司、捷運甚至走在路上,隨處可見戴口罩 的人們,而量體溫、乾洗手,則是期許正常生活之下的小心謹慎。

陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東 單維彰 景鴻鑫 曾耀寰  程一駿 程樹德 黃正球  黃相輔 楊正澤 葉李華  廖達珊 管永恕 劉宗平  蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家  鄭宇君 鄭運鴻 韓德生  嚴如玉 嚴宏洋 蘇逸平

勤洗手、戴口罩,是保護自己與他人最快也最直接的防疫方法。不過,若是想 長期抗戰,提升免疫力或許就成為更重要的事,而良好的飲食與運動習慣,更 是讓免疫系統保持在最佳狀況的關鍵。如何從食物中補充營養、從運動中強健 身體,則為食物精緻化和疾病肆虐的時代中,人人需面對的課題。

編輯顧問:王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫 周榮泉 洪萬生 洪裕宏 胡進錕 孫維新 張 復  張勝祺 陳文屏 陳章波 

雖然全世界尚處在病毒風暴中,然而,一波未平一波又起,東非沙漠蝗蟲橫行 造成大量糧食作物遭受損害;非洲奈及利亞出現不明傳染病,遭受感染者不到

陳國成 曾惠中 楊玉齡

48 小時就會喪命。即使如此,仍期望人們可以咬緊牙關、挺過這些戰役,讓平

劉仲康 駱尚廉 魏耀揮

靜再度到來。

蘇益仁 蘇振隆 主  編:李依庭 編  輯:郭家銘 謝育哲 美術編輯:黃琳琇

主編 李依庭

業務部 經  理:李金穗 業務助理:廖本翔

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷:赫偉有限公司

本期為第五十一卷第三期 第 603 期 發行於 2020 年 3 月

地址:10646 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

總經銷 : 聯華書報社

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄

電話:(02)2363-4910  傳真:(02)2363-5999

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址:www.scimonth.com.tw  電郵:scimonth@gmail.com

圖文版權有任何疑慮請洽編輯部,廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有,非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

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3


2019 新型冠狀病毒 最前線 李依庭

4

科學月刊 2020.3

本刊主編。


別 

去(2019)年底在中國武漢市爆發的嚴重特殊傳染性肺

定的引子(primer)設計,專一性地黏合 DNA 進行大量

炎(COVID-19,又稱武漢肺炎),至今已在全球擴散,

複製,確認體內是否帶有 SARS-CoV-2 病毒。

造成數萬人遭感染,數千人因而死亡。如同 2002 年於中 國廣東市爆發的嚴重急性呼吸道症候群(Severe Acute

除了透過 RT-PCR 確診,在臨床上若有疑似病例也可以結

Respiratory Syndrome, SARS),現在街上人們各個戴

合流行病學接觸史和臨床特點綜合分析。

上口罩,深怕遭到飛來橫「沫」感染。

確診之後,會有哪些臨床表現? 儘管人心惶惶,不過面對全新且未知的威脅,醫生如何診

發病後除了會有如發燒、乾咳、喉嚨痛或肌肉痠痛等非

斷並治療?科學家又如何在短時間內找到對付全新疾病的

專 一 性 的 症 狀 外, 也 有 可 能 會 引 發 輕 度 肺 炎、 嚴 重 肺

方法?而人們又應該如何防範與因應?又需具備哪些知識

炎、 急 性 呼 吸 窘 迫 症 候 群( acute respiratory distress

才能讓病毒的傷害降到最低?

syndrome, ARDS)、敗血症或敗血性休克。

如何確定自己是否受感染?臨床上如何確診?

臨床上是否有藥物可以治療?

面對疑似感染病例,會採集相關樣本,包括呼吸道檢體、

目前並沒有能直接抑制 SARS-CoV-2 病毒的藥物,現今

血清和糞便等,並進行相關檢測。檢測方式主要是將檢體

的治療方式主要是儘早給予支持性治療。對於無休克情形

中的核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)反轉錄(reverse

的患者採用輸液治療,敗血病患者則給予抗生素治療,若

transcription, RT)成核酸序列(DNA)片段,再透過特

是出現急性呼吸窘迫症候群、敗血症或敗血性休克就必須

COVID-19 小檔案 嚴重特殊傳染性肺炎,是於中國武漢市爆發的一種下呼吸道傳染病。由於先前未定名,所以新型冠狀病毒肺炎 (Novel Coronavirus Pneumonia, NCP)和 2019-nCoV 急性呼吸疾病(2019-nCoV acute respiratory disease)都 是指此疾病。

今(2020)年 2 月,國際病毒分類委員會(International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV)正式將

病毒命名為嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒 2 型(SARS-CoV-2),突顯它與 2003 年所爆發的 SARS-CoV 冠

狀病毒的相似性和關聯性。而 SARS-CoV-2 病毒所引發的疾病則被世界衛生組織正式命名為 2019 冠狀病毒疾病 (Coronavirus Disease 2019, COVID-19)。

患者主要是受到 SARS-CoV-2 這種新型冠狀病毒所感染,發病後會有包括發燒、四肢乏力、乾咳等症狀。傳染途 徑目前臨床上所觀察是可以人傳人,傳染源主要為遭 SARS-CoV-2 病毒感染的患者,但無症狀感染者也可以成為 感染源,並經由呼吸道飛沫、接觸等途徑傳播。

如何反轉錄 RNA ? (Photo by CDC on Unsplash)

反轉錄聚合酶連鎖反應(reverse transcription-PCR, RT-PCR),是分子生物技術中由聚合酶連鎖反應(polymerase

chain reaction, PCR)所衍伸出的一種應用,透過將 RNA 鏈反轉錄成爲互補 DNA 片段(complementary DNA,〔註 一〕),再以此爲模板透過

PCR 進行 DNA 片段的大量複製。

由於 SARS-CoV-2 病毒屬於 RNA 病毒,因此需要先透過 RT-PCR 將 RNA 反轉錄成 DNA,再利用 PCR 技術將 DNA 片段放大。

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別 

給予氧氣治療。

則合成純度 97%、公克級的瑞德西韋。除此之外,國衛院 目前也嘗試進行疫苗開發,希望能盡快完成相關疫苗或藥

儘管目前沒有針對 SARS-CoV-2 病毒的治療方式,不過,

物的研究,減緩疫情。

科 學 上 已 有 同 為 冠 狀 病 毒, 如 SARS 冠 狀 病 毒(SARS-

CoV)與中東呼吸系統症候群冠狀病毒(MERS-CoV)

曾接觸過感染者或近期從疫區回來的人,

的相關治療經驗、臨床與體外試驗。當中包括多種抗病

又該何去何從?

毒藥物,如利巴韋林(ribavirin)、洛匹那韋∕利托那韋

目前在臺灣,對於有被傳染疑慮者的處理方式分為居家隔

(lopinavir∕ritonavir)和瑞德西韋(remdesivir)。另外,

離、居家檢疫及自主健康管理,每種方式需配合事項都有

還有干擾素(interferon-α、interferon-β)和病患恢復期

所不同,其中居家隔離、居家檢疫都需留在家中或指定地

血清與單株∕多株抗體等方法,儘管尚未被證實對 SARS-

點 14 天,且不得外出。此外,由於疫情是由中國武漢市

CoV-2 病毒具療效,但仍是科學家努力的方向。

爆發,所以居家檢疫對象為近期具中港澳旅遊史者。若曾 與確診案例接觸者,則需進行居家隔離。

其中一款抗病毒藥物瑞德西韋,由美國吉利德科學公司 (Gilead Sciences, Inc.)研 發, 原 先 是 用 於 治 療 伊 波 拉

該如何預防?口罩好,還是酒精?

病 毒, 後 來 發 現 也 可 以 有 效 的 抑 制 SARS-CoV 病 毒 和

對於無病毒感染接觸、中港澳旅遊史的一般人,勤洗手、

MERS-CoV 病毒。而在近期的武漢肺炎疫情中,美國首

戴口罩和多運動等提升免疫力都是預防病毒傳染的好方

例確診患者也嘗試接受瑞德西韋,並成功改善其臨床症狀。

法。其中,勤洗手更是杜絕病毒入侵體內最好的辦法,由 於 SARS-CoV-2 是一種具有外套膜(envelop)的病毒,

有鑑於此,臺灣的中央研究院與國家衛生研究院分別於近

所以利用清潔劑與各類有機溶劑破壞其外套膜,就能有效

日成功合成瑞德西韋,前者在 2 週內合成百毫克級,後者

阻絕病毒。而關於如何預防,後面還有更多、更詳盡的防 疫知識喔。

洗手口訣:內外夾弓大力腕, 大家記得哦!

〔註一〕指由 RNA 當模板因互補性透過反轉錄酵素作 用產生的 DNA。

延伸閱讀

1. 行政院衛生福利部疾病管制署,〈2019 新型冠狀病毒感 染臨床處置暫行指引〉,第二版,2020 年。 2. 李依庭,〈研究之前、人生之後- PCR、穆利斯與分子生 物學〉,《科學月刊》,第 599 期,60~63 頁。 (Shutterstock)

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3. 〈夙夜匪懈 進度超前 國衛院完成瑞德西韋「公克級」合 成任務〉,國衛院,2020 年 2 月 24 日。


別 

口罩,到底保護了誰? 勤洗手其實也很重要啊! 接觸傳染,病毒顆粒不會懸浮於空氣中使人感染;除非長 林翰佐 銘傳大學生物科技學系副教授, 本刊總編輯。

口罩是目前全世界最稀缺的東西之一。對於疫情的來勢洶 洶,手裡沒有懷揣著十個八個的口罩,難免心中忐忑。口 罩是防止呼吸道疾病最基本的防護裝備,但也不是大家想 像的,口罩有如保命符般,擁有它便能百毒不侵,正確的 理解與使用才是永保安康之道。

時間待在高風險場所(例如醫院),否則一般人其實用不 著 N95 口罩。

「罩起來」的實質意義為何? 日常生活中,口罩的作用是防止別人打噴嚏的飛沫直接接 觸到口鼻引發感染,這種約 1 微米粒徑左右的噴嚏微粒, 使用一般醫用口罩(目前政府釋出的這種)就可以有相當 良好的阻隔效能。事實上,更大的一層意義是,讓具有呼 吸道症狀的患者戴著口罩,以降低向大眾散播的風險,所

保護自己,還是保護他人?

以政府才會宣導「進出醫療院所及身體不適者,具有較高 的,口罩配戴的位階」。

口罩的功用是什麼,是保護自己還是保護他人?這個問題 的答案,端視自身健康及所處環境的狀態而定。例如,對 第一線的醫護工作人員來說,保護自己是重點,但對一般 大眾而言,目前所在的生活場域其實風險並不高,戴口罩 的實質意義,保護別人的成分反而大了些。

已有研究顯示,或許口罩在防治呼吸道疾病中最大的功 效,其實是預防人們不自覺地在接觸受到汙染的物質(門 把、扶手等)後再接觸自己的口鼻造成感染。從這個觀點 來看,只要在出入公共場所掩住口鼻,不管是使用何種口 罩,都能有自我保護的效果。

這其實就是陳建仁副總統在提出「口罩優先順序」時,一 般民眾日常配戴上的位階沒有那麼高的原因。

口罩真有那麼萬能? 市面上的口罩有很多種,網路上也有需多參考資料可供 查詢。但在此要說明的是,目前沒有一種口罩能夠提供 100%的保護。以大家耳熟能詳的 N95 口罩為例,它的規 範就是──在特定的測試條件下,可阻擋 95%直徑 0.3 微 米(μm)以上非油性顆粒的口罩。病毒的體型有多大呢?

養成勤洗手的習慣,才是防疫王道! 對疫病防治的警覺性提高對整體防疫作為來說是好的,但 臺灣目前尚未有社區感染情況的發生,即便目前口罩的供 應量仍有不足,仍不需要太緊張。建議大家依照自身健康 狀況選擇口罩的佩戴方式,以樽節社會的醫療資源。其實 接觸傳染才是 SARS-CoV-2 病毒感染的途徑,所以養成 確實的洗手習慣,或許更是需要注意的面向。

一般而言大約在 0.3~0.01 微米之間,所以即便在測試的 條件下,N95 口罩也無法 100%的阻絕病毒顆粒喔。

延伸閱讀

1. 正確洗手步驟,行政院,https://bit.ly/32pA4Uu。 2. 〈防武漢肺炎 陳副總統宣導戴口罩優先順序〉,中央社,2020 年 1 月 30 日。

不過讀者也不用驚惶,現今所關心的武漢肺炎仍屬飛沫及

3. 〈武漢肺炎:醫用口罩能防止病毒傳播嗎?〉,BBC News 中文,2020 年 1 月 23 日。

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大量運動就是好? 找到合適自己的 運動處方 Take Home Message 運動處方,是指為了特定目的而設計、與健身有關的具體活動計劃。 藉由個人的需求、興趣和能力,加上透過專業人員的設計,找到最適 合的個人化運動方式。因此,找到屬於自己的運動處方,不僅能讓運 動目標更有可能成功,從而實現健康生活。

什麼是運動處方?

「老闆我想買一盒慢跑藥丸!」 「陳先生,這罐游泳藥水請你每天服用 3 次、每 次 10 cc,對你的冠狀動脈阻塞病情會有幫助!」 上述的兩對話場景或許會讓人感到陌生,更像是 天方夜譚。到底什麼是運動處方、要如何開立、 如何「服用」呢?

(Shutterstock)

運動可以促進健康應該是眾所周知的常識了!君不見公、私立的運 動中心如雨後春筍般在人們生活的社區一間間的出現,各式路跑、 游泳和自行車的競賽也蔚為風潮,許多民眾以收集馬拉松完賽證明 作為人生的自我實現項目。但是另一方面,新聞媒體不時提醒大家 運動傷害的案例,甚至偶有運動中猝死的重大遺憾。運動好處雖 多,但過程中仍然充滿風險。今天想跟各位讀者分享如何科學化的 調整運動劑量,也就是運動處方(exercise prescription)。

運動處方的基礎是解剖學與生理學,加上病理學、運動心理學、營養學及運動 教練學所產生的一門應用科學。運動處方的內容包含了五個項目,分別是頻 率(frequency)、 強 度(intensity)、 時 間(time)、 種 類(type) 及 進 展 (progression),縮寫為 FITT-Pro。與一般藥物處方相似:以咳嗽的病人為例, 韓德生

醫生會開立止咳藥 1 天 3 次、每次 1 顆、連續吃 7 天,1 週後再回診視病情調整

臺大醫院北護分院醫療部主任、

劑量,當中可以很清楚地看到了處方的五要件。而在運動處方中,一般讀者比較

臺大醫學院臨床副教授,專長在

22

肌肉、復健與長照;優游於教學、

陌生的應該是「種類」。一般來說,是把運動分成有氧運動、阻力運動、伸展運

服務與研究的臨床醫師。

動及平衡運動四大類。以下分別談談各類運動的定義。

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1. 有氧運動:指運動強度在無氧閾值

動強度之前,要先介紹一個名詞:無

過無氧閾值的測量需要使用運動生理

(anaerobic threshold)之下,運用

氧閾值。無氧閾值是指身體將大氣中

實驗室的複雜配備,且因為測量過程

大肌肉持續一段長時間的運動,有氧

的 氧 氣 經 由 呼 吸 系 統、 循 環 系 統,

中可能發生猝死風險,需要配置急救

運動的效益在於消耗卡路里,主要作

最後帶至骨骼肌粒線體的整體能力。

設備,所以不是一般民眾可輕易取得

用為:一、減少脂肪量與減重;二、

在這個氧氣的運送過程中,呼吸系統

的服務。

改善身體代謝疾病狀況,包括血糖、

功能(例如鼻中膈彎曲、氣喘、支氣

血脂及血壓的控制;三、增加肌肉耐

管擴張、肺炎或換氣灌流比不佳的情

因此,退而求其次,一般民眾可以用

力。讀者所熟知的慢跑、游泳和騎腳

形)、循環系統功能(例如心衰竭、

相對容易的「最大心跳儲備法(heart

踏車等,都歸在這個類別。

心肌梗塞、周邊動脈堵塞或貧血等疾

rate reserve)」來作為自身運動強

病)及最後肌肉的狀況(例如營養不

度的設定依據。心臟,就像是汽車的

2. 阻力運動:又稱肌力運動、重量訓

良、肌紅蛋白不足、肌肉失養症、肌

引擎,轉速越高,輸出馬力也越大;

練,屬於無氧運動。其運動強度超過

肉萎縮或粒線體疾病等)若有不足,

引擎馬力越大,便可以用較低的轉速

無氧閾值,只能進行短時間。目的在

皆會造成最大運動量的限制因子。一

來輕鬆行駛上路。同理,運動強度越

增 加 肌 肉 力 量、 肌 肉 質 量 及 肌 肉 品

般說來,無 氧 閾 值 代 表 一 個 人 的 最

大,心跳次數也越高;當心臟越有力,

質。常見的阻力運動包括舉重、單槓

大有氧運動 強 度, 訓 練 有 素 的 運 動

便可以用較低的心跳來達成相同的工

和啞鈴等。

員,無氧閾值會遠高於習慣坐式生活

作量,這就是最大心跳作為運動強度

( sedentary lifestyle)的成人。不

設定參數的基本原理。

3. 伸展運動:俗稱拉筋,通常是訓練 前暖身運動(warm-up)或訓練後緩 和運動(cool-down)的主要項目。 伸展運動拉長肌肉長度,有放鬆關節 囊、肌紡錘體(muscle spindle)的 作用,同時可降低運動傷害的產生, 也有助於減緩運動後遲發性肌肉酸痛 (delayed onset muscle soreness) 的症狀。 4. 平衡運動:主 要 是 挑 戰 平 衡 的 動 作, 以 增 加 小 腦、 前 庭、 本 體 覺 對 身體平衡的控制度,像是單腳站、閉 眼 站、 八 字 步 和 腳 跟 對 腳 尖 直 線 走 (tandem gait)等項目。

找到屬於自己的運動處方 接下來,就來聊聊常用的有氧及阻力 運動處方該怎麼開。不過,在規劃運

(Photo by Anupam Mahapatra on Unsplash)

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COVER STORY

要怎麼吃?怎麼動? 從醫學角度 談運動科學 Take Home Message 運動,看似容易,卻是一項充滿學 問與專業的議題。現在,就從科學 的角度研究運動如何帶來身體的保 健與健康。

林俊忠 畢業於臺大醫學系心臟專科 醫師,現為臺安醫院兼任主 治醫師、康研診所院長,更 為運動愛好者。

遠古狩獵與近代農業時代,人們為了

生理學上的運動種類

行的運動,而無氧運動則是短時間的

求生必須大量活動。然而進入工業時

區分運動的種類有很多種方法,在此

高強度運動。在許多的運動中,如跑

代後,人類的求生方式已漸漸轉變成

介紹兩種醫學上常用的分類方法,一

步、游泳或騎自行車等運動都可能同

靜態居多的文書型工作,交通方式有

種是從肌肉的耗氧量來區分有氧運動

時具備這二種的呼吸型態,只是比例

大量的代步工具,飲食方式更是比過

或無氧運動。由於在運動過程中需要

稍許不同。例如跑步時,慢跑是行有

去的人類攝取更多的熱量、精緻澱粉

燃燒肝醣或血液中的葡萄糖,而當心

氧呼吸,衝刺時則是無氧呼吸。

與壞油脂。在缺乏足夠的運動量與營

臟血管呼吸系統可以提供充足的氧氣

養失調的雙重因素下,肥胖與心臟血

來讓粒線體產生能量,這時候身體所

另外一種分類方法則是用肌肉在收縮

管相關的代謝症候群一直是全世界與

進行的是有氧呼吸,產生能量、二氧

的張力與長度來區分為等張運動或等

臺灣重要的致死與致殘原因之一。

化碳和水。然而,當代謝量太高或心

長運動。等張運動指的是肌肉在運動

臟血管呼吸系統無法提供相對足夠的

過程中維持一定的張力,這類的運動

該如何運動與保健,一直是心臟科門

氧氣時,這時候會轉成無氧呼吸,能

通常是持續「動態」的有氧運動,如

診被諮詢的常見問題之一。雖然知道

量的產生不須經過粒線體的檸檬酸循

慢 跑 或 長 泳 等。而 等 長 運 動 則 多 屬

運動對健康的好處,可是每個人的情

環,所產生的產物則是能量和乳酸。

於「靜止」的重量訓練或阻抗運動, 如深蹲或瑜珈中的棒式,雖然身體沒

況都不同,到底該如何找出合適自己 的運動呢?

26

(Photo by Brooke Lark on Unsplash)

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有氧運動通常是中低強度可以持續進

有移動,可是肌肉仍然在做收縮與耗


能。同樣的,單一種運動可能會同時具備不同比例 的等張或等長運動,例如舉 1 公斤的啞鈴 20 次和舉

5 公斤的啞鈴 4 次,在物理能量中所做的功是一樣 的,但是在肌肉的效應上卻是不一樣,前者偏向於 等張運動而後者偏向於等長運動。

運動後的生理效應 不同的運動對於人體生理有不同的效果,想要建立 適合自己的運動習慣前,先來了解不同的運動方式 會對身體造成怎樣的改變。

通常長時間的有氧運動或等張運動需要比平常更多 的心輸出量,因此對於心臟可能會產生代償性的心 臟容積擴大,比較能增加心肺功能。同時由於脈衝 式的心搏量增加,會進一步伸展血管壁的內皮細胞 來釋放更多的一氧化氮,一氧化氮可以進一步減少 血管的硬化與降低血壓。所以,這一類的運動通常 對心臟血管系統與血壓最有幫助,這也是為何心臟 科醫師總是建議患者進行慢跑、游泳或自行車等有 氧運動的原因。

至於等長運動或阻抗運動相對的比較容易刺激肌肉 細胞的生長,因此重量訓練的選手比較容易養大身 體一塊一塊的肌肉。隨著肌肉量上升,血管阻力也 會相對上升,最後連血壓也會上升,甚至心臟肌肉 也會造成肥大肥厚的現象。因此,以心臟科醫師的 立場,通常比較不會建議心血管患者從事重量訓練 或等長運動。

至於哪類運動對燃脂效果比較好,常常也是科學研 究與人們討論的重點,目前看起來不論是哪一種運 動方式的燃脂效果其實都差不多,重點在於運動的 強度與時間的乘積。運動強度高的運動,如時下流 行的 Tabata,在短時間內就可以燃脂甚至會有運動 後的後燃效應,但是通常運動時間不容易持久。而 中低強度的運動則要超過 30 分鐘肝醣消耗完畢後,

(Shutterstock)

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NEWS FOCUS (NA

ec L-Calt SA/JP edia)

術問題而延宕,導致史匹哲太空望遠鏡 延長服役時間。它的「退休」象徵一個 時代的結束,而詹姆斯 ‧ 韋伯太空望遠鏡 則預計於 2021 年升空,未來將逐步承接 觀測任務,天文迷們可拭目以待。

Wikip

史匹哲太空望遠鏡是 NASA 大型軌道天 文台計劃(Great Observatories)的四座 太空望遠鏡之一。利用紅外線光譜進行 觀測,多年來完成許多觀測任務與成就, 例如發現土星外圍最大的環、成功拍攝 第一張系外行星的照片及其他觀測計畫

main,

等,不只提供許多天文照片,也協助解 答諸多關於宇宙起源及星系演變等問題。

lic Do

美 國 航 太 總 署(NASA)的 紅 外 線 天 文 衛星史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope, SST), 自 2003 年 發 射 升 空 後,NASA 於 今(2020)年 1 月 30 日 宣 布結束其長達 16 年的觀測任務。

h, Pu b

任務歷時 16 年 史匹哲太空望遠鏡功臣身退 2016 年,NASA 曾計畫將其退役,並以 詹姆斯 ‧ 韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)取代。但該計畫因技

Adam Mann et al., NASA ’s Spitzer Space Telescope Ends Mission of Astronomical Discovery,The New York Times, 2020.

外表如同爆米花 首張高解析度太陽表面照片 來自美國國家太陽天文台(National Solar Observatory)設置於夏威夷的丹尼爾 井上太陽望遠鏡(Daniel K. Inouye Solar Telescope),首次捕捉到高解析度太陽 表面影像。圖中類似爆米花格紋為太陽米粒組織(granule),是太陽表面高溫氣 體對流的現象。明亮的部分為氣體受熱而上升的現象,灰暗的區域則是氣體冷卻 後下沉後呈現的樣貌。而此照片的解析度極高,可辨識的最小範圍達 30 公里。 此外,每個格子的大小約等於美國德州的面積。 (NSO/AURA/NSF, CC BY 4.0, Wikipedia)

Inouye Solar Telescope: first light, National Solar Observatory, 2020.

本次的研究揭開了太陽表面細部的神秘面紗。除此之外,近期許多研究單位也不 斷執行探測太陽的任務,如 2018 年 NASA 發射的帕克太陽探測船、歐洲太空總 署(ESA)計畫於今(2020)年 2 月發射的太陽軌道載具(Solar Orbiter)等,可 望對太陽有更多的了解。

鈉離子奈米通道薄膜 可增進化學反應效率 美國壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)的 研究團隊,近期研發出由鈉離子製成的奈米通道薄膜,能有 效分離水與其他氣體。由於許多化學反應所產生的水分副產 物會使反應效率變差,另外過去利用其他薄膜進行化學反應 也可能會造成產生的氣體散失,導致反應效率下降。面臨上 述的問題,團隊研發出的奈米通道薄膜都可順利解決,不僅 能避免氣體損失,也能有效過濾多餘的水分副產物。

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科學月刊 2020.3

薄膜由沸石(zeolite)晶體與鈉離子製作而成,其中的鈉離 子可保留反應產生的氣體,並排除多餘的水分。在二氧化碳 轉換為甲醇的化學反應中,此薄膜可提升轉換效率,並增加 產能。後續研究團隊也積極將此薄膜商業化,期望能成為未 來工業生產的一大助力。 Huazheng Li et al., Na+-gated water-conducting nanochannels for boosting CO2 conversion to liquid fuels, Science, 2020.


NEWS FOCUS

教室裡的實驗課 讚美 V.S. 責備? 課堂上老師應該是要多讚美學生還是不斷斥責學生呢?美國 楊百翰大學(Brigham Young University)研究團隊花了三 年的時間,從 19 所小學、2536 位年齡介在 5~12 歲的學生 中,發現讚美與譴責比例(the ratio of praise to reprimands, PRR)與學生專注於課堂活動的程度之間存在高度關聯性。 實驗將課堂模式分為兩種,第一種是稱作 CW-FIT 的行為介 入課程,學生達到老師所指定的期待行為後即可獲得應有的 獎勵與讚美,第二種則是傳統的課堂管理訓練。結果發現當 老師上課時對學生的讚美大於責備時,學生更能專注上課的 內容與完成指派的作業,且兩種模式相比較下,受到讚美的 學生可增加約 20~30%的專注力。 這項結果也意味著,稱讚對於老師而言是個重要的教學工具 之一,可以激發學生的學習態度、提升學習成績,更可以協 助學習能力較慢的學生。專家認為這項研究結果打破了過去 教育心理學認知,總是透過責備學生來矯正行為,反而會造 成學生在課堂學習狀況不佳的惡性循環。 儘管研究發現讚美能提高學生注意力,但研究人員表示,縱 使讚美對於學生的上課專注力來說扮演重要的角色,但如何

(Photo by National Cancer Institute on Unsplash)

保持學生的專注力,依然需仰賴老師專業教學技巧與其他經 過實證的課堂管理方法。 Taylor & Francis Group, Praise, rather than punish, to see up to 30% greater focus in the classroom, ScienceDaily, 2020/1/29.

壓力如何導致一夜白了髮? 過去曾聽聞「一夜白髮」的傳說,像 是在法國大革命時期被俘虜的法國皇 后瑪麗安東尼(Marie Antoinette)及 在越戰期間身陷重傷並做為戰俘的麥 肯(John McCain)皆因壓力催化一夜 白了頭髮。而過去,推認是因壓力刺 激造成的生理現象。

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然而,近期美國哈佛大學研究團隊想 進一步探討壓力如何影響毛髮色素生

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成細胞(pigment-producing cell)進而 導致毛髮變白。團隊前後提出三個假 說,假說一:壓力會啟動免疫系統進 而活化色素生成細胞造成毛髮變白。 因此,研究人員抑制老鼠的免疫系統, 施予壓力後卻發現毛髮顏色依然會變 白,代表免疫系統不影響色素生成細 胞的功能。

存在一些幹細胞,當頭髮再生時,幹 細胞會轉變為色素生成細胞,進而改 變毛髮顏色。但研究人員發現,當有 壓力時會促使交感神經系統分泌正腎 上腺素(norepinephine),導致幹細 胞過度活化。活化的幹細胞會一口氣 全部分化成色素生成細胞,造成往後 無法再有效生成色素,使髮色灰白。

假 說 二: 壓 力 與 體 內 荷 爾 蒙 皮 質 醇 (cortisol)分泌有正向關連性進而影 響色素生成細胞功能。因此,研究人 員移除老鼠體內製造皮質醇的腎上腺 體並施予壓力,發現毛髮顏色依舊會 變白,意味著皮質醇不影響色素生成 細胞功能。

研究人員表示,壓力讓頭髮變白不僅 只是一個生理現象,是身體內到外包 括分子層級、細胞間連結至全身身體 器官系統運作。這項研究除了掀開一 夜白髮的神秘面紗外,也提供未來科 學家可找出如何修正或抑制因壓力而 造成不可逆的細胞傷害。

最後一個假說,則是認為壓力與體內 交感神經系統具有關連性並可影響色 素生成細胞功能。一般來說,毛囊內

Jessica Lau, Solving a biological puzzle: How stress causes gray hair, Harvard University, 2020/1/22.

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顯 影

西里伯斯鹿豚 Babyrousa celebensis

1

上部獠牙是雄鹿豚的驕傲,一般不 會直接用來打鬥,只會用來「比大 小」。但如果不慎斷裂,可能會導 致母鹿豚不願和這隻雄鹿豚配對。

圖.文/游崇瑋

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鹿豚為豬科(Suidae)底下的一個非常特別的

特、少毛、上顎骨多了一對獠牙穿出並且往後彎

屬,即鹿豚屬(Babyrousa spp.)。鹿豚屬在整

到前額的野豬,不但是只能在蘇拉威西島群見

個豬科的現生類群之中,是最原始、最基群的

到,也是筆者認為地表最特別的野豬!英文稱

一支,也是鹿豚值得花較大成本保育的主要原

鹿豚為 Babirusa,但事實上這個字是直接取自當

因之一。鹿豚屬底下只有四種,外觀皆十分相

地印尼語,其中 babi 是豬,rusa 則是鹿的意思,

似,且全都分布在蘇拉威西島群(Sulawesi),

簡單來說就是當地人認為這種長相奇特的動物

可說鹿豚是蘇拉威西的特有屬。而這些長相奇

是源自於豬和鹿的雜交,故因此為名。

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顯 影

2

母鹿豚是不會長出上部獠牙的,而小鹿 豚不論公母也都不會有上部獠牙。雄鹿 豚在出生後大約 18 個月才會開始長出 上部獠牙。

3

一般來說一個鹿豚群體內,只會有一隻成年 雄鹿豚,但偶爾的例外就是第二隻較小的雄 鹿豚通常是大雄鹿豚的兒子。此圖為小雄鹿 豚主動表達臣服大雄鹿豚的行為。

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專欄文章

改變軍事與能源的力量─ 核分裂與核融合 Take Home Message 高崇文 中原大學物理系教授,研究領域為 高能物理。

對現代人而言,核能的使用可能並不陌生,舉凡日常的電力

來源或強大的武器等。核能又分為核分裂與核融合兩種機 制,前者是將原子序較大的原子核分裂成多個原子序較小的

原子核;後者則相反。不論是哪種機制,都會產生巨大的能 量,從而改變能源與軍事的版圖。

原子核也能被裂解:核分裂

解答核分裂機制

核分裂(nuclear fission),是指由原子序數較大的原子

邁特納是出身於奧地利維也納的女科學家,1933 年時,

核,如鈾(uranium, U)與鈽(plutonium, Pu)分裂成

因身為猶太人而使她喪失在德國柏林擔任教授的資格。而

兩個或以上的原子序數較小原子核。核分裂是由邁特納

當 1938 年奧地利被德國吞併後,她更被迫逃亡到瑞典,

(Lise Meitner)、哈恩(Otto Hahn)及弗里施(Otto

在諾貝爾研究所(Nobel Institute)繼續她的研究工作。

Frisch)等科學家於 1938 年發現,而核分裂的發現過程 其實充滿曲折離奇。

同年 11 月,德國物理學家哈恩與邁特納在丹麥哥本哈 根會面後,回到柏林與助手史特曼(Fritz Strassman)

1934 年,義大利科學家費米(Enrico Fermi)認為利用

進 行 實 驗, 確 認 鈾 被 慢 中 子 轟 擊 後, 的 確 會 裂 解 成 鋇

慢中子撞擊釷(thorium, Th)與鈾所得到的具放射性物

(barium, Ba)和鎝(technetium, Tc),而且此過程的

質,是原子序高於鈾的新元素。然而當時的德國女化學

產物質量總和小於原先鈾的質量!對實驗結果到不解的

家諾達克(Ida Noddack)對此想法不以為然,她獨排

哈恩,曾寫信給邁特納,表達自己的疑惑。

眾議,認為該物質應是原子序低於鈾的元素,換言之,

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釷跟鈾元素是被裂解開來!不過由於慢中子傳遞到鈾元

後來,邁特納和她的姪子弗里施利用波耳(Niels Bohr)

素的能量實在很低,難以想像釷與鈾居然能輕易被裂解,

的原子核液滴模型(liquid drop model)進行計算,發

所以當時物理界對於諾達克的異議完全無法認同。雖然

現當中子撞擊鈾- 235 的原子核後,原子核內部在吸收

費米在 1938 年因為此研究而得到諾貝爾物理獎的肯定,

中子的能量後產生劇烈的啞鈴狀震盪,導致原子核結構會

但隨後居禮(Irène Joliot-Curie)卻發現這些超鈾元素

因震盪過大而瓦解,產生出兩個質量較小的原子核,並釋

的化學性質與週期表的預測完全不吻合,著實讓科學家

放出 2~3 個新的中子(圖一)。裂解後的兩個原子核總

們傷透了腦筋。最後還是由奧地利女物理學家邁特納找

質量小於最初的鈾原子核,此微小的質量差變成了能量。

到了答案。

當邁特納透過愛因斯坦的質能轉換方程式 E=mc2,計算

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格物致知

連鎖反應(Nuclear chain reaction)。簡單來說,就是 重原子核被中子撞擊後,分裂成為兩個較輕的原子,並 同時釋放出數個中子。而釋放出的中子再去撞擊其它的 重核原子,從而形成連鎖反應而自發分裂(圖二)。若 對核連鎖反應不加以控制,同時發生的核分裂數目將會 在極短的時間內以幾何級數形式增長。若聚集在一起的

圖 一: 核 分 裂 過 程。 鈾 –235 被中子撞擊後,因吸收一個中 子, 轉變為鈾 –236,後續鈾 –236 分裂為兩個較小的原子核:氪 –92 (krypton-92)、鋇 –141(barium-141)及三個中子。下方為核分 裂的反應式。

出每個裂變過程中原子核會釋放 2 億電子伏特(eV), 相當於 3.24×10-11 焦耳的能量。 據說當波耳得知此結果後感嘆道:「啊,我們真蠢啊。」 而 1939 年邁特納和弗里施共同發表的論文《中子導致的鈾 的裂體:一種新的核反應》(Disintegration of Uranium

by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction),首次 提出核分裂的理論基礎。弗里施將此現象命名為核分裂 (fission),而哈恩也因為發現核分裂現象,三人共同獲 得 1944 年度的諾貝爾化學獎(1945 年頒發)。

核分裂產生強大能量的來源:核連鎖反應 事實上,單一個核分裂過程並不會釋放大量的能量。核

圖二:核連鎖反應。鈾 –235 被中子撞擊後吸收中子,分裂成兩個較

分裂之所以能夠釋放巨大的能量,其實是仰賴 1933 年由

再進行反應;另外一個中子則沒有碰到任何原子,也同樣不再反應;

匈牙利核物理學家西拉德(Leo Szilard)構想提出的核

小的原子後,再釋放出三個中子。其中一個中子被鈾 –238 吸收後不 最後一個中子則再撞擊另一個鈾 –235,並持續重複此連鎖反應。

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專欄文章

提升地震災害防治與準確度─ 2020 年臺灣震度分級新上路 Take Home Message 地震震度因各地民情、建築條件與地理環境的不同而需量身打造。從過往 的地震發現,臺灣過去使用的震度標準未能精準對應實際狀況,因而有修

整與更新的必要。因此,中央氣象局於今(2020)年頒布全新的震度標準, 將高震度分級方式改以最大地動速度評斷,並加入新的震度分級,使地震 的影響程度更能細分,以期提升未來的防震與救災,有效分配救災資源。

潘昌志 臺灣大學海洋研究所碩士,臺灣 師範大學的科系博士班二年級, 筆名阿樹,現為「震識:那些你 想知道的震事」副總編輯。

「震度」是描述地震對不同地區影響程度的指標,自今

言,強震儀所測得的地表加速度,可作為震度的參考。

年起,交通部中央氣象局發布地震報告時所使用的震度

然而實際運用時,並沒有一個能放諸世界皆統一的震度

將產生新的變革,從資料處理、計算及運用的分級字眼

分級標準,各個國家與地區仍以自己的方式使用震度分

都作了調整。然而為什麼需要調整?背後的科學意涵是

級,而且有許多國家的地震儀密度不若臺灣密集,除了

什麼?將會有什麼影響?

量測數據與震度衰減公式之外,亦會以文字敘述搭配使 用。1999 年之前,臺灣使用的各震度分級標準,乃由關

震度定義從何來?國內又是如何定義?

係式 I=2.00×log10 (PGA)+0.70 換算後四捨五入獲得,

「震度」的核心概念,最初是將地震搖晃大小分等級,並

其中 I 為震度、PGA 為最大地表加速度(peak ground

使用描述性文字來區分程度。也因為震度源起於質性的描

acceleration, PGA)。

述,而有「因地而異」的現象,例如羅西─福瑞震度分級 (Rossi–Forel scale)就將震度分成 10 等級,而後的麥

過去中央氣象局也曾經在 2000 年 1 月微調過震度分級,

卡利震度分級(Mercalli Intensity)也是以相同概念出發,

但只是在原本的 6 級之後新增 7 級,原因是在集集地震

但改分為 12 級,並多以羅馬數字呈現。而臺灣中央氣象

時,由於地表加速度特高,遠遠超過 6 級震度的門檻(250

局所使用的震度分級,則是源自於日治時期日本所使用的

cm∕s2)。然而許多樓房是在更高的地表加速度下才會

震度分級(1908 年實施),分為 0~6 級,但在光復之後,

受損倒塌,若以 6 級作為最大震度,會分不出災情嚴重

日本所做的計算方式調整皆未影響臺灣的震度修訂。

的差異性,救災資源將會更難分配,因此當時敲定以 400

cm∕s2 作為 7 級震度的門檻。 隨著地震儀器的演進,從最初僅能量測地表位移的地震

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儀,到之後能夠量測地表運動速度(微震儀)和加速度

再次變革:納入最大地動速度考量、增加分級

(強震儀)的儀器,多數地震學家都認為,就物理量而

在中央氣象局將震度階新增第 7 級之時,瓦德(David

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物換星移

J. Wald)等學者也針對美國使用的修正麥卡利震度階

主要著重於人對地振動的感受,因此與 PGA 的關聯性

(Modified Mercalli Intensity, MMI),提出以儀器數

較 大; 但 如 果 高 於 VII 級, 則 需 著 重 於 建 物 的 破 壞 情

據反應至震度階的對應關係 I=2.14×log10 (PGV)+1.89。

形,而經由研究分析發現最大地動速度(peak ground

瓦德指出,在 MMI 震度分級中,若小於 VII 級,因為

velocity, PGV)作為標準,反而較 PGA 能反映震度所

921 地震各版本的震度圖。2000 年以前的版本(左);2000 年以後的版本(中);2020 年的新版本(右)。(資料來源:中央氣象局數位科普網)

圖中分別列出震度新制分級中,不同階級的 PGA 和 PGV 值,但在 4 級(含)以下僅考量 PGA,而 5 弱(含)以上僅考量 PGV。而當 PGA 達 80

cm/s2,但 PGV 未達 15 cm/s 時,仍會視為震度 4 級而非 5 弱。(資料來源:臺灣交通部中央氣象局)

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精選 文章

來企 SAY 夜市—

科工館的 「直覺 x 科學 x  推理機率特展」 林家妤 Shark Lin 因為數學成為斜槓青年,進行數學藝 術創作、策展、採訪、寫作與創意教 學,特別喜愛跨領域的題材與合作。

「生活中最重要的問題,絕大部分其實只是概率問題。」 ──法國數學家拉普拉斯 (Pierre-Simon marquis de Laplace)

高雄科學工藝博物館(以下簡稱科工館)花了兩年時間,自行策 劃了一檔融合臺灣文化的展覽──「SAY 夜市 - 直覺 x 科學 x 推 理機率特展」,要讓大家發現夜市遊戲裡的機率與數學,在題材 選擇上可以說是前所未有的一檔展覽。這一回,就讓《科學月刊》 帶著充滿好奇心的你,一起透過「機率」來解讀這些遊戲所隱藏 的秘密!

跟著《科學月刊》一起逛展覽 在眾多夜市遊戲中,哪一項遊戲最能吸引你拚一把,而所得到的 禮物憑藉的是技巧還是運氣?

走進科工館精心打造的展場,讓人真的以為來到了夜市,在這裡 不僅可以像在夜市自由飲食,還能夠將手上的票券兌換成點數,

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「SAY 夜市 - 直覺 x 科學 x 推理機率特展」展區介紹。 (科工館提供)


精選 文章

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追憶年華 科學月刊 50 週年回顧 1970 年代,在美國的臺灣留學生,將對學術知識的渴求,轉化成自身熟悉的文體撰寫。在一顆顆緊密排列的鑄字背後, 轉印成一本本的《科學月刊》,記錄著當年珍稀的新知。50 年後的今日,印刷技術不再是制式的活版印刷,更遑論細數這 18000 多個日子裡,科學的容貌也已悄然發生變化……

藉半世紀的回顧 再談都卜勒效應

都卜勒效應為目前主流的翻譯, 本文的內文皆使用此翻譯。而過 去于教授文章內使用「都普勒效 應」作為翻譯,因此本文引用過 去文章段落則沿用當年的翻譯。

Take Home Message 都卜勒效應於生活當中十分常見,例如疾駛而過的救護車,車上發出的鳴笛聲會 根據與觀測者的遠近而有不同的頻率音高。而在天文研究中,恆星因都卜勒效應 所產生的紅移與藍移能讓科學家了解宇宙的演化與現狀。都卜勒效應主要分為聲 學與光學兩部分,根據不同的傳遞方式,也會有截然不同的現象與特徵。 而近年來出現的許多新穎材料,更展現出獨特的都卜勒效應應用。

在日常生活中常會見到以下的物理現象:當一個聲源與接收者 相互靠近,接收者聽到的音調就會比彼此保持固定距離時高一 些;反之,若是聲源發聲的同時逐漸遠離接收者,聽起來的音 調就會低一些。救護車從遠處以高速向我們靠近時,號笛的音調 聽起來變高,而遠離時音調變低,這就是都卜勒效應(Doppler

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半個世紀前,于傑民教授在《科學月刊》撰寫的〈物理現象淺解—都普 勒效應〉一文,向社會大眾解釋都卜勒效應的基本原理與應用。半個世紀 過去了,人們對都卜勒效應的研究是否有什麼新的突破值得被介紹?本文是

否有需要補充、修正或進一步解說的地方?事實上,于教授的文章對都卜勒效應 的解說十分深入淺出,是一篇十分好懂的科普文章,因此有興趣的讀者們不妨直接到

圖書館考古一番。

不過,為了滿足不常去圖書館的讀者們的求知慾,筆者將在本文為大家節錄于教授的文章 部分內容,並重新推導都卜勒效應公式。此外,由於光波與聲波的都卜勒效應略有不同, 欒丕綱 任職於中央大 學光電系,研究興趣為 超穎材料與光子晶體。

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公式也有少許差異,這是在于教授的文章裡並沒有特別強調的部分,所以本文將針對光波 的情況補充推導與解釋。而在文章最後,將介紹都卜勒效應的新研究發展與應用。


火車號笛的 都卜勒效應 在〈物理現象淺解—都

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aler y on Unsplash ) to b y J p V

普勒效應〉的第一段,于教授 以火車號笛發聲為例,說明為何一個順 著聲波傳播方向行駛的火車會造成遠方接收者聽到較高

聲波都卜勒效應

頻率的聲音,而若火車逆著聲波傳播方向行駛,則接收 者會聽到較低頻的聲音(圖一)。

文章中提到:「一輛靜止的火車,它的號笛所發出聲波的 頻率為每秒 344,如果聲波在空氣中的速度是 344 米 ∕ 秒, 那麼相鄰聲波間距離就各為一米。不論我們是站在火車的 任何一個方向,在每秒有 344 個聲波進入我們的耳鼓……。 假如火車以 34.4 米 ∕ 秒的速度很快地向著我們開過來……在 第一個聲波前進一米時,火車在送出第二個聲波時前進了 十分之一米。不難看出第一和第二兩聲波間的距離不是一 米而實際上只有 0.9 米。因此在一秒內就有 344÷0.9 ≈ 382 個聲波穿過我們的耳鼓,這也就是說收聽頻率由 344 ∕ 秒 而增加為 382 ∕ 秒。」接著又說:「當火車離我們而去時,

圖一:一個以 0.5 倍波速向右前進的波源,圓圈為發出聲波的波峰。 圖中顯示靠近觀測者的波長較短頻率高,導致聽到的聲音音高會比 較高;反之波源另一側的波長較長頻率低,聲音音高則較低沉。

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科學月刊試閱版2020-3月號 603期-一起運動吧  

想進一步了解科學月刊嗎? 出發前往官網www.scimonth.com.tw!

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