教育 物理

挑戰物理人的邏輯思維:這些實驗結果,怎麼都跟想像不一樣?

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撰文者:林佳芳
發文日期:2017-08-02
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  • 「在自然中看見科學,用科學來理解自然。」國立自然科學博物館館長孫維新用這一句話作為演講開頭,他還開玩笑說,除了是因為這句話包含了「自然科學博物館」的「自然科學」四個字之外,更是因為人們對物理的認識都是從自然而來。然而在理解自然現象背後的道理時,人們卻常常出錯,孫維新認為這原因有兩種:物理知識不正確、大腦認知有問題,而更多時候是以上兩者的結合。
     


     

    關於大腦認知有問題,可以從許多知名的錯視圖中發現,例如科夫卡環(Koffka Ring)、色彩明度錯覺(Color Value Illusion)、咖啡廳錯覺(Café Wall Illusion)、小精靈錯覺(Pac-man Illusion)等,我們在面對這些錯視圖時,大腦對於顏色、線條等圖形的解讀發生了錯誤,讓我們被騙;而除了圖案之外,研究也發現漢字的順序並不一定影響閱讀,即使打亂了文字,我們依舊可以知道句子的意義。也就是說,大腦會做一些奇怪的事情,讓我們的認知出現問題。但這些錯覺並不是毫無用處,像VR虛擬實境的科技,就是基於人腦的這種錯誤認知發展出來的。
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     ▲科夫卡環,環的左右側顏色看似相同         ▲咖啡廳錯覺,圖中的橫線看似歪七扭八
         ,其實是不同的                             ,其實是直的
     
    在物理知識不正確中,孫維新則示範了許多顛覆想像的物理實驗,藉此解釋有時我們認為是對的物理知識其實並不正確。首先是燃燒薯片的實驗,一片洋芋片裡究竟有多少油脂呢?現場觀眾看著洋芋片燒起來,才驚覺自己無意間吃下這麼多油,更有人開玩笑地說,在野外需要生火的話靠洋芋片就夠了!
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    接著是兩顆氣球的小實驗,兩顆氣球的其中一顆是灌較多氣的大汽球,另一顆則是僅稍微充了一點點氣的小氣球,孫維新要觀眾試著猜猜看,當他將兩顆氣球相連後會發生什麼事?兩顆氣球會變得一樣大、大的變大小的變小、大的變小小的變大,還是兩顆氣球不會有任何反應?多數人認為兩顆氣球會變得一樣大,但實際上做實驗卻發現,其實是大氣球變大,小氣球變小,空氣反而由小氣球進入了大氣球。孫維新解釋,這是因為小氣球內的氣體單位面積受到的壓力比大氣球大。換句話說,如果大氣球跟小氣球內的氣體分子都是一樣的數量,氣體分子會在球內自由的運動彼此碰撞,當然也會碰撞氣球的內表面囉!這時候小氣球的內表面積比較小,所以在同一時間內,小氣球的內表面會受到更多的氣體分子的撞擊;同時,又必須要與氣球外的氣壓相互抗衡以維持氣球的大小與形狀,因此,小氣球內的壓力就會比大氣球大囉!於是兩顆氣球相連之後,空氣通通往大氣球跑去了。
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    接下來的實驗孫維新形容,是個「有些暴力」的標槍實驗,他還擔心地說,不知道現場觀眾會不會帶著「孫館長很暴力」的印象回家。這個特製的標槍教具本身有兩種發射模式:直線發射及旋轉發射,每次都能發射一個小圓環,但兩種發射模式會影響到圓環的飛行速度和距離,但哪種發射模式會讓圓環速度較快、哪種又會讓距離較遠呢?實驗結果發現直線發射的速度較快,但圓環飛行時很不穩定,所以飛不遠;旋轉發射因為部分能量分給力矩,所以圓環飛行速度較慢,但穩定得多,因此飛得很遠。孫維新也說,這樣的小實驗所觀察到的現象,被應用在許多科技中,最簡單的例子就是在人造衛星的發射過程,也需要轉動的角速度,來幫助它順利飛行到目標軌道。
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    最後孫維新所示範的是雷射光的實驗。他在桌上準備了五顏六色的氣球,另外準備了雷射筆,他問觀眾如果他用綠色雷射光照氣球,哪些氣球會破、哪些不會破呢?答案是除了綠色和白色的氣球之外,其他全都破了。因為人眼所看到的顏色其實是物體反射的光,對綠色氣球而言,他反射綠光,吸收其他顏色的光;對白色氣球而言,他反射所有顏色的光。因此這兩種顏色的氣球不會吸收到綠光的能量,因此不會破。但對其他顏色的氣球來說,他們都會吸收綠光,因此會吸收綠色雷射光所攜帶的所有能量,就承受不住爆炸了。

     
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    最後,孫維新也提醒在場的觀眾,每個人對物理的了解都是有限的,因此記得觀察大自然的現象,才能全面了解物理。而觀察大自然現象的方式,第一是多多走入大自然,第二就是走進自然科學博物館囉!
    編按:學科學不一定是宅宅,學物理足以撼動世界,小至生活瑣事,大至宇宙定理,都是物理人關注的範疇。「物理人的挑戰」,是找出如何透過教育與職涯發展讓物理重回最性感的學科,讓「物理人」重回最令人驕傲的身份!本文為2016年11月12日「物理人挑戰—Beyond Physics Identities」文字紀錄。
     講者/孫維新|國立自然科學博物館館長
     文字記錄/林佳芳 (國立中興大學物理系 學生) ,  編修:趙軒翎 (泛科學)
     
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