物理世界逛展區
參觀場次:開館日10:00、11:30、13:00、14:30(每場次80分鐘、開放120人入場。)
從2000年開始,台達就贊助科博館成立『物質世界』展館,十餘年間吸引近千萬訪客!本次全面更新,用全新的展品及手法打造新穎的『物理世界』,內容包含電磁學、運動學、力學、流體力學、波動、近代物理、光學等豐富內容,無論大人小孩都可以從多種觀察體驗中,啟發對基礎物理的好奇和對自然科學的瞭解,並增加自己對科學認知的成就感,希望能在踏出展場後,對生活中隨處可見的科學奧妙產生更多探索的興趣!
電磁學是物理的五大領域之一,隸屬於古典物理的一支。電磁學就是描述電、磁以及電與磁交互作用的領域。靜電是描述電荷處在平衡狀態下,電力、電場、電位能與電位的關係。因為電荷是靜止狀態,所以應用到的力學的觀念主要是靜力平衡的合力與合力矩為零的概念以及包含力學能守恆與功能原理在內的能量觀念。電流描述的對象是穩定流動的電荷,因為它的穩定流動,所以需要電路來描述它。 厄斯特無意間的發現,開啟了”電動生磁”的年代,使得磁學變成了大熱門。在實際生活的應用上各式電器把電能轉變成磁能,再進一步的輸出力學能,對於人類生活的提升有著重要的貢獻,這就是電動機的功能。 最後一個領域則是”電磁感應”,它不但能把生活中的力學能儲存、開發成電能,更進一步,將電能以電磁波方式傳遞出去。
握著磁鐵,從容器外面底部緩慢將鐵粉吸引上來,然後將磁鐵拉開,鐵粉就會飄舞而下,形成一片夢幻般的「磁雲」!再用磁鐵吸引尚未完全沈澱的鐵粉,鐵粉又會重新聚集,此時從對面看,會發現鐵粉依據特殊的線條向外排列延伸,這些線條是什麼?
輪流拿起不同的棒子,保持水平,從上往下通過磁場拱門,這個外加磁場會對哪一根棒子產生拉扯?產生拉扯時,是吸引力還是排斥力?為什麼?有拉扯感覺的棒子,是它自己本來就有磁力嗎?嘗試完了每一根棒子之後,比較不同材質的棒子受到拉扯的有無和強弱,以瞭解物質的磁性。在看過旁邊螢幕中的「科學介紹」後,想想看,磁場拱門裡裝的是什麼東西?具有何種磁性?
圓環中央的磁鐵和外面的磁鐵互相吸引,可是圓環周邊的6個小磁鐵卻和外面的磁鐵互相排斥,在這種組合下,將圓環靠近外面的磁鐵,會發生什麼事?會互相吸引還是互相排斥?靠近之後再拉遠,會發生什麼事?如果不是在同一平面上,而是在垂直方向上互相接近,又會出現何種現象?吸進來還是彈出去?如果將這個垂直裝置反過來呢?外加磁鐵會不會掉下去?
按下按鈕,看小球從平台上緩緩滾下,撞向一串五個小球,這一串小球的最後一個球獲得撞擊的能量,竟然能跑到比原先小球更高的地方!這表示它獲得了更多的位能,但這不是違反了能量守恆的原理嗎?發揮你福爾摩斯的觀察能力,看看這個顯然違反能量守恆的過程,找出關鍵秘訣在哪裡?
拿起桌上的螺圈,吸引展品箱中的小球,將小球輪流帶到各個管子的上方,讓它掉入管中,觀察小球在不同管子中掉出所需的時間是否相同?如果不同,哪個管子所花的時間最短?哪根管子所花的時間最久?為什麼?如果你身材夠高,可以在放入小球後,從管子上方往裡面看,觀察小球緩慢但均勻下落的過程。
先按下按鈕,讓線圈通電,再輪流拿不同材質的棒子插入線圈中央,感受一下哪種材質的棒子會受到拉扯?是吸引力還是排斥力?為什麼?如果線圈沒有通電,會產生同樣的現象嗎?比較各個棒子的材質,就會知道不同物質的磁性表現。
桌面中央是一個高速轉動的圓盤,將圓球從這一端滾向那一端,圓球會走出什麼軌跡?將圓球擺在圓盤的中心,當它逐漸離開中心,它的「公轉」和「自轉」會產生什麼變化?為什麼?試著將各個圓盤或圓環放上轉盤,看能不能找出一個讓這些物體持久轉動的方法?試著讓圓盤或圓環接觸轉盤時反向滾動,是否有幫助?
圓盤兩側各有把手,可以反向轉動調整重錘的位置,以改變整個圓盤的質量分布。把一個圓盤的重錘都集中到中心,另一個圓盤的重錘分散到最外緣,將兩個圓盤從滑道頂端同時放開,誰會先到終點?為什麼?
圓球、圓盤,和圓環三者質量相同,從同一高度放開,讓它們滾動而下,誰會先到終點?為什麼?
將各種磁性軌道用不同方式排列在牆面上,形成一串向下滑動的路徑,看誰做的軌道能讓小球滾最久?這個展品顯示的是哪兩種能量之間的轉換?
力學是物理學的一個分支,主要研究能量和力以及它們與物體的平衡、變形或運動的關係。伽利略的自由落體運動規律,以及牛頓的運動定律皆奠定了動力學的基礎。力學主要可分為古典力學及量子力學,古典力學主要研究低速或靜止的宏觀物體,探討物質的運動和彼此之間的交互作用,小至質點,大至星系、宇宙;量子力學應用範圍較廣,主要是描述微觀之物(分子、原子、次原子粒子)的理論。
按照解說人員的指示,依序進入咖啡杯坐定,在咖啡杯開始轉動之前,先觀察地面小球直線滾動的軌跡,在咖啡杯達到穩定轉動之後,再觀察小球在地面滾動的路徑,和先前有無差異?若有,這個改變是真的還是假的?在轉動之前,解說人員讓中央垂降的「佛科擺」開始擺動,開始轉動之後,觀察擺動平面有無變化?若有,這個變化是真的還是假的?這些變化都是「科氏力」造成的,而這個「科氏力」是一個真實的力嗎?離開咖啡杯之後,到欄杆外面觀賞銀幕上的四分割畫面,看別人在體驗時,滾球路徑或單擺平面從「轉動座標系」和「靜止座標系」觀察的差異。
本展品裝設台達提供的「電力回生系統」,以回收剎車能量再利用。以往的動力設備透過煞車電阻來消耗能量以達到減速目的,但這個過程除了浪費能量,也容易過熱,台達的系統會讓馬達在煞車過程中轉變為發電機,將煞車能量轉換成電能,傳輸回電力系統再利用,以達到節能環保的效果。
牛頓擺看來簡單,就是五個小球彼此互撞,但它其實有很多種展示方法,可以測驗你對「能量」和「動量」的瞭解!一個小球拉起來撞回去,是撞飛一個球,還是撞飛四個球?為什麼?兩個球拉起來撞下去,會怎樣?到三個球和四個球,就真的需要思考了!另外從兩邊各拉起一個球,撞下去會不會彈回去?如果會彈起來,那是因為小球「撞牆」的緣故,還是因為左右小球彼此能量互換?要怎麼測試才會知道?右邊的五個球質量一樣,但是都較輕,左邊的五個球質量不同,在這些系統中,重複以上過程,會有什麼結果?
轉動中央的旋鈕,讓T字形的下方支臂朝上垂直,等到所有的短桿都靜止了,放鬆旋鈕讓支臂開始落下並旋轉,多做幾次,設法將開始的狀況調到幾乎一模一樣,看後續的擺動會不會相同?也可以從不同的角度開始,觀察如果將開始的狀況調到幾乎相同,後續會不會相同?是否每次實驗在初始狀況中,都會有微小的差異存在?
流體力學是力學的一門分支,是研究流體(包含氣體、液體及電漿體)現象以及相關力學行為的科學。流體力學可以按照研究對象的運動方式分為流體靜力學和流體動力學,前者研究處於靜止狀態的流體,後者研究力對於流體運動的影響。流體力學按照應用範圍,分為:空氣力學及水力學等等。
先按下右邊的按鈕,觀察下方螺貝開始高速旋轉後,上方的水面會如何變化?旋轉龍捲出現後,是從上到下發展,還是由下往上發展?按下左邊的按鈕,當短槳形式的螺旋槳開始高速帶動水流,觀察上方的水面變化,第二次按壓會有什麼結果?為什麼會產生大量氣泡?兩個筒子中,由上到下的龍捲中心是什麼物理狀況?
台灣每年有一半以上的時間會讓人覺得熱,因此使用空調消耗了大量的能源,那我們想想看,一棟建築要如何在空調上節能減碳?成功大學綠色魔法學校是台灣第一座「零碳綠建築」 ,現在就來看看綠建築的祕密吧!流體力學模擬冷熱空氣對流,熱空氣上升、冷空氣下降,設計出進風口低、出風口高。熱空氣以煙囪效應向上排除,並帶進建築物開口的冷空氣。浮力通風塔利用浮力通風的原理,打造節能又通風的環境。
波動是空間上傳播的一種物理現象,波的傳播速度總是有限的。波動通常是一種藉由介質(群體粒子的行為)來傳遞能量的行為,例如聲波、水波;但有些波動則不需要介質傳遞能量,例如光波。波速與介質的彈性與慣性有關,但與波源的性質無關。波根據振動源的次數可以分為脈波與週期波。波在均勻、無向性的介質中傳遞時,依介質的振動方向分可以分為縱波與橫波。
本展品中的機械手臂由台達提供,展品按公告時間自動啟動。機械手臂可以作精密移動,準確夾物,將每個節拍器輪流移至發條區上緊發條,然後橫掃而過,讓每個節拍器開始來回擺動震盪,一開始節拍器各擺各的,但是過不了多久所有的節拍器就會達到「同步擺動」的規律狀況,畫面和聲音都相當震撼!請觀察從隨機擺動開始,到完全同步,大約需要多少時間?為何節拍器彼此之間可以「互相溝通」,最後達到同步?這個展示的關鍵秘訣在何處?
本展品上方彈簧展示「縱波」的產生和傳遞,下方展示的是「橫波」的產生和傳遞。將上方的操縱桿前後猛的一推,會看到彈簧中出現疏密相間但向前移動的「縱波」。如果對面的尾端固定,這一邊創造的縱波撞擊對面固定端,會產生何種現象?反射的波在相位上是否會有變化?兩邊的參觀者同時用力一推,會看到各人創造的縱波彼此穿越,穿越前和穿越後這兩個縱波的強度和形狀有無變化?下方的操縱桿可以橫向猛的一晃,會看到彈簧中出現左右擺動但向前移動的「橫波」,重複上面一人和兩人的操作,觀察橫波的反射和穿越。
單擺的週期和「擺長」及當地的「重力加速度」有關,這項展品中各個小球的擺長不同,但是垂直懸吊,轉動把手推動所有的小球開始擺盪,因為各個球的擺動週期不同,就會出現不同的振盪和波浪組合,操作者可以退後幾步,好好欣賞。想想看,每個小球的擺動週期都是固定的,由擺長決定,為何整體蛇擺的花樣會不斷改變?這個展示是用藝術的手法,來表達科學的內涵!
這個蛇擺是由好幾個水平懸吊的小球構成,每個小球的擺長不同,因此振盪週期也就不相同。逆時針轉動操縱桿,讓蛇擺開始擺盪,可以從左右兩邊觀察波形變化,想想看,每個小球的擺動週期都是固定的,由擺長決定,但為何整體蛇擺的花樣不斷改變?
二十世紀是物理學的大發現時代,也是物理概念的大革命時代。在這段時期所發展的物理學稱為近代物理學,而在這之前的物理學則稱為古典物理學。「X 光」、「天然放射線」、「電子」三項重大的物理發現,拉開了二十世紀物理學大發現時代的序幕。而量子力學和相對論構成了近代物理的兩塊重要基石。
三個攝影機將現場觀眾影像投影在前方的三個銀幕上,左邊是「可見光」影像,右邊是「近紅外」影像,而中間是「中紅外」影像。哪個波段是人眼最熟悉的?哪個波段需要加上額外光源才看得到前方的人們?哪個波段是我們人類發出最強輻射的波段?在正前方「中紅外」的影像裡,為何會出現好些戴著墨鏡的黑道人物?移過一塊壓克力板,看看中紅外線能否通過?將雙手手心分別壓在冷熱金屬上幾秒鐘,舉起來看影像中的雙手,會出現何種畫面?點亮展示板上的三盞燈,可見光裡很清楚,但看看「中紅外」影像中,哪個燈泡不見了?為什麼?
移動筒狀的光譜儀,依次對準前方的光源,從觀景窗中觀察各個光源的分光光譜,不同光譜有什麼差別?有些光源會顯現明亮的彩色線條,有些光源沒有線條,就是一片繽紛的連續彩色,有些光源幾乎只有單一顏色,這些差別是怎麼來的?觀察這些光源的形狀和規格,針對這些光源的發光原理,能夠推斷出什麼結論?
請站到三面螢幕前方的標記上,揮動雙手啟動遊戲,就可以在能源旅途上回答問題了!這個遊戲由台達的工程師創意發展,可以一個人體驗,也可以兩人同時參加,一人模式可以直接選擇「太陽能發電」或是「火力發電」開始遊戲,兩人模式中一人進行主遊戲,第二人負責操作手搖發電機,讓螢幕左方燈泡發亮且提升左邊畫面中電池的充電狀態。
光學主要是研究光的現象、性質與應用,包括光與物質之間的交互作用、光學儀器的製作。光學通常研究紅外線、紫外線及可見光的物理行為。因為光是電磁波,其它形式的電磁輻射,例如X射線、微波、電磁輻射及無線電波等等也具有類似光的特性。其中幾何光學,描述了光的傳播,一個由透鏡、反射鏡及稜鏡組合而成的光學系統,用幾何光學可以說明其中的反射、折射等現象。
面前的凹面鏡會將我們自己的「倒立實像」展現出來,但是這個照鏡子的過程是否可以讓我們看到們自己的「正立虛像」?好像看不到!但是將手機的攝影功能打開,對著凹面鏡從中央逐漸接近,到一定距離處,就會看到一個自己的正立虛像出現在手機裡!這時逐漸將手機拉遠,會看到正立虛像在經過一個「界線」之後,瞬間轉成倒立實像,你能夠從這個變化的地方推斷出來這個凹面鏡的焦距嗎?
按下按鈕,就會看到多條彩色雷射光線射出,前方盡頭開始煙霧飄渺,明顯看出雷射光的路徑,此時可以移動桌面上的三稜鏡、四方鏡,以及各種透鏡和面鏡,觀察反射、折射、繞射等幾何光學的效應。想想看,為何要有煙霧?這些飄渺的煙霧是來自什麼物質?如何產生這些煙霧的?
水往低處流是大家熟悉的現象,但是在這個展品中,我們卻看到昏暗閃爍的燈光下,水滴好像不是往下掉,反而往上走?這是為什麼?是不是和閃爍的燈光有關?我們看電視影片,有時看到馬車往前走,但輪子會往後轉,和這個展品是同樣的道理,也就是你能看到它的時間有限,同時看到的影像間斷地很有規律,就會產生「倒過來走」的錯覺了。
觀察面前的凹面鏡,看看自己在鏡中呈現的像是正立的還是倒立的?這是「實像」還是「虛像」?拿一隻手電筒,或者打開手機上的照明燈,照在自己額頭上,像中的額頭上是否會出現一個同樣的光點?再將照明燈照在像中的額頭上,看看自己的額頭上是否會出現同樣的光點?這個比較可以讓我們深切體認「實像」的意義!再將手機的攝影功能打開,對著凹面鏡從中央逐漸接近,會看到一個自己的正立像出現在手機裡,這是「實像」還是「虛像」?呈像的位置在哪裡?逐漸將手機拉遠,會看到正立的像在經過一個「界線」之後,瞬間轉成倒立的像,請問這個「界線」是什麼?