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第一章 科學與測量
第1章 科學與測量
學習目標
1. 解釋「科學方法」、「定律」、「原理」、「假
設」和「實驗」。
2. 定義「物質」和「能量」，描述物質的三態以及
能量的二種形式。
3. 描述並舉例說明物理性質與物理變化。
4. 測量單位的轉換。
5. 使用科學記號和公制字首表示數值。
6. 解釋「準確度」和「精密度」之間的差異。
7. 使用正確的有效數字位數來表示有關測量的計算
結果。
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第1章 科學與測量
1.1 科學方法
ƒ 科學方法 (scientific method) 是一種收集和解釋資
訊的過程，觀察是這個過程的一部分。
ƒ 科學研究獲取的知識，正面方式衝擊我們的生
活，包括處理疾病的持續改進能力，例如，醫療
用的掃描器 (包括CT和MRI) 和許多的治療藥物
(包括抗生素和抗癌藥物)，如圖1.1。
ƒ 英國的科學家艾薩克牛頓 (Isaac Newton, 16421727)，因看見蘋果掉在樹下，導致他將重力定律
公式化，闡明有一種吸引力在任何二個物體之
間。
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第1章 科學與測量
ƒ 科學定律 (laws) 的描述具一致性，並具再現性。
定律是不解釋為何發生，但它能用來預計也許會
在將來發生。
ƒ 「假設 (hypothesis)」是基於現今已知的事實的一
種測驗性的解釋 (受過教育的推測)。
ƒ 科學方法的最重要部分是一旦假設建立，必須以
實驗 (experiments) 做測試。
ƒ 假設在經過重複試驗後而成立，即可成為理論
(theory)。對於一個理論的成立，是必須與實驗的
證據相符合，並能正確的預測未來實驗的結果及
解釋未來的觀察結果。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 圖1.2表示科學方法各方面的相互關聯性──即做
觀察，形成假設，執行實驗及創設理論。
ƒ 理論是基於實驗的觀察而得，意謂它們有時是可
以改變的。
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第1章 科學與測量
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健康聯結：科學與醫學
第1章 科學與測量
ƒ 身體裡葡萄糖 (血糖) 的平衡是被一種稱為胰島素
的荷爾蒙來控制。當身體無法產生足夠的胰島素
或身體對胰島素的效應不具敏感度，糖尿病就會
發生。
ƒ 在1800年代的中期，即已知高濃度的葡萄糖會引
起糖尿病的徵狀。在1800年後期和1900年早期，
科學的研究得到胰臟在葡萄糖代謝上所扮演的角
色和胰島素的發現，胰島素是由胰臟所生產的一
種蛋白質。
ƒ 胰島素首先在1922年被用來治療人類的糖尿病。
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健康聯結：科學與醫學
第1章 科學與測量
ƒ 治療糖尿病的改進上，則包含口服用藥以控制胰
島素的標準 (於1955年賣出)，基因工程的人類胰
島素之使用 (於1982年賣出) 以取代由牛及豬分離
出的胰島素與測定血中葡萄糖濃度方法的發展。
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健康聯結：科學與醫學
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第1章 科學與測量
第1章 科學與測量
1.2 物質與能量
ƒ 化學 (chemistry) 是研究物質和它進行的變化，就科學的說
法，物質 (matter) 是具有質量和空間的任何東西，就日常
的說法，依此定義即包含你的身體、你呼吸的空氣、這本
書及圍繞你的所有其他東西。
ƒ 物理性質 (physical properties)係指在不改變物質 (它是由
什麼做成的) 的化學組成 (chemical composition) 情況下，
可以決定出其特色。例如，方糖是白色的，具甜味且無氣
味，當測定這些特性及其他物理性質，包括熔點 (熔解的
溫度) 和沸點 (沸騰的溫度) 時，卻不會將糖變成其他的任
何物質，糖依然是糖。
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第1章 科學與測量
ƒ 物質具有三種不同的物理狀態 (相)，即固體
(solid)、液體 (liquid) 或氣體 (gas)。
ƒ 固體有固定的形狀和體積。
ƒ 液體有可變的形狀和固定的體積。
ƒ 氣體有可變的形狀和體積。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 物質於三態間的每一狀態上的轉換，稱為物理變
化 (physical change)，因為物質的化學組成不改
變。
ƒ 任何時刻物質於任何方式下的變化，即已作功
(work)，包括物理變化以及走路、跑步或翻閱此
書，所有的這些活動均涉及能量 (energy)，其定義
即作功和傳熱的能力。
ƒ 能量以兩種形式存在，即位能 (potential energy)
(已儲存的能量) 或動能 (kinetic energy) (移動的能
量)。水壩後面的水擁有位能，當水閘打開時水傾
瀉而下，位能即被轉變為動能。
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第1章 科學與測量
ƒ 所有物質均含能量，故物質的改變 (功) 和能量的
改變 (位能或動能) 是互相關聯的。例如，你開一
部車，汽油的某些位能被轉變成動能用以遷動引
擎內的活塞 (作功)，有些則被轉變成動能的另一
形式，稱之為熱 (與形成該物質之粒子的運動有
關)。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
1.3 測量單位
ƒ 測定(measurement)日常生活
的一部分，測量也是健康專
業工作的重要部分，護士會
度量你的脈博、血壓和體
溫。牙醫師可能會量測你牙
根的深度。職業治療師量測
你的手力來估計受傷恢復的
情形
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第1章 科學與測量
ƒ 測量由兩部分組成：數字和單位 (unit)。
ƒ 公制系統 (metric system) 是全世界最常使用的測量
系統。
ƒ 在此書中，我們將使用公制單位及用於美國的共
同單位 (common units)
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 國際單位制 (SI units) (國際單位制，即SI單位，它
與公制有關) 。
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第1章 科學與測量
ƒ 質量：常用以測量質量的單位是克 (g)、公斤 (kg)
和磅 (lb)。454 g＝1 lb；2.205 lb＝1 kg
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第1章 科學與測量
ƒ 長度：公尺 (m) 是公制單位的長度單位。
ƒ 1 m >1 yard
ƒ 1 m ＝ 3.281 ft
ƒ 0.946 L ＝ 1 qt
ƒ 32℉ ＝ 0℃ ＝ 273.15 K
ƒ 1 cal ＝ 4.184 J
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第1章 科學與測量
ƒ 體積：公升 (L) 和夸脫 (qt) 是兩種常用的體積單
位。
ƒ 溫度：公制系統使用攝氏 (℃) 溫度。在美國仍使
用華氏 (℉) 溫度。
ƒ 華氏溫度與攝氏溫度有不同的大小刻度。華氏溫
度，水的凝固與沸騰之間分成180度 (212℉－32℉
＝180℉)，在攝氏溫度，同樣範圍內，僅分成100
度。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 科學家常使用SI單位，即凱氏 (K) 溫度來測量溫
度。溫度為0 K，此即熟知的絕對零度 (absolute
zero)。
ƒ 絕對零度 (absolute zero)是一種所有熱能都由樣品
中被移除的溫度。在凱氏溫度，水的凝固點
(273.15 K) 和沸點 (373.15 K) 之間有100度，此與
攝氏溫度相同，所以凱氏溫度與攝氏溫度有相同
的大小刻度。
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第1章 科學與測量
ƒ 能量：卡 (cal) 是能量的公制單位，其定義為1克
的水從溫度14.5 ℃提升到15.5 ℃所需要的能量大
小。
ƒ 焦耳 (J) 是SI能量單位，它大約等於人體心臟跳動
一次所消耗的能量，大約是1卡的四分之一 。
1 cal ＝ 4.184 J
ƒ 一食物大卡 (Cal) 等於1000 cal，意即80 Cal的餅乾
擁有80,000 cal的潛在熱量。
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第1章 科學與測量
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1.4 科學記號和公制字首
第1章 科學與測量
ƒ 以科學記號 (scientific notation 或稱 exponential
notation)表示典型的紅血球細胞，其直徑大約
0.0000075公尺，此直徑可寫為7.5 ×10-6公尺。
ƒ 以科學記號表示數值，則需書寫為1到10之間的數
字乘以10的指數，後者的10，其右邊上標
(superscripted) 數字稱為指數 (an exponent)。
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第1章 科學與測量
ƒ 將一數字轉換成科學記號的簡單方法是移動小數
點。對一個大於或等於10的數字，將小數點向左
移，直到獲得一個介於1和10之間的數字，移動小
數點的位置間隔數，即為新的指數。
ƒ 對一個小於1的數字，則將小數點往右移，直到獲
得一個介於1和10之間的數字，移動位置的間隔數
加上負號於前面，即為新的指數。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 公制字首：比公制單位要大或小的單位均能以適
當的字首接到公制單位之前而產生，藉此可表示
新單位與原始單位的關係。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
1.5 測量和有效數字
ƒ 進行測量時應考慮的三個重要因素：準確度、精
密度與有效數字。
ƒ 準確度 (accuracy) 是測量值與實際值接近程度的
相關性，假設測量二次某病患的體溫，分別為
98℉和102 ℉ ，若該病患的實際體溫是103 ℉ ，
則第二次的測量較為準確，因其較接近真值。
ƒ 精密度 (precision) 係指再現性的測量。分開測量
所獲之值愈接近即愈精密。假設測量三次某病患
體溫，分別是98 ℉ 、99 ℉和97 ℉ 。另外一組溫
度測量值卻是90 ℉ 、100 ℉和96 ℉ 。因第一組測
量值彼此較接近，所以比第二組數值較為精密。
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第1章 科學與測量
ƒ 一組精密的測量未必是準確的，而一組準確的測
量未必是精密的。
ƒ 圖1.10a表示三次的射鏢是精密但不準確──飛鏢
的落點彼此接近但沒有射中靶心。圖1.10b的射鏢
是準確但不精密，因為射鏢的落點靠近靶心，但
彼此不靠近。圖1.10c顯示三次的射鏢是既準確又
精密。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
ƒ 有效數字：測量所使用的設
備品質是獲得準確且精密結
果的一個因素。例如，圖
1.11的天平可能有不同的型
號，較低價錢的機型所測質
量可能準確到 ±0.1 g，而較
高價錢機型則可能準確到
±0.001g。
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第1章 科學與測量
ƒ 對於數字 (5.6和5.563)，其有效數字的決定是相當
直接的：所有寫出的位數都是有效的。
ƒ 不能大意的是：當數字涉及零的時候，因為對於
部分的測量而言，零是有效的，若僅用來指明小
數的位置，則這類的零，不能算為有效數字。
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第1章 科學與測量
ƒ 表1.5摘錄用來決定有效數字的規則。
ƒ 注意：有效數字僅適用於測量，因為測量必定包
含某些程度上的誤差。當數字的取得是經由正確
數 (exact count) (有七位病人坐在候診室) 或已定
義 (12個＝1打，1公里＝1000公尺) 的，則是沒有
誤差的。
ƒ 正確數字 (exact numbers或稱真值) 具有無限個有
效數字。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
有效數字的計算
ƒ 當進行測量值的乘或除運算時，其答案的有效數字位數不
能超過用於計算的任何數字。假設你需決定某一長方形的
面積，根據你的測量，其寬為5.3 cm，長為 6.1 cm，而面
積寬長，用計算機將兩數字相乘可得 32.33 cm2。
ƒ 計算機所得到的答案有過多的有效數字。原始的兩個數
(5.3和6.1) 都僅有二位有效數字，但計算機所給的卻是四個
位數。意即必須刪除無效的數字 (此例中，係指刪去小數
點右邊的)，並將數字的最後一個數位四捨五入 (round
off)。
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第1章 科學與測量
ƒ 依下述規則可將數字四捨五入：
ƒ 若第一個數字是0、1、2、3或4，則必須將之刪
除，則新數字的最後一個數字保持不變。(若需
取三位有效數字，則57.42四捨五入變成57.4，
若需取二位有效數字，則為57)。
ƒ 若第一個數字是5、6、7、8或9，則在新數字的
最後一個數字加1。(若需取三位有效數字，則
57.69四捨五入變成57.7，若需取二位有效數
字，則為58)。
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第1章 科學與測量
ƒ 當進行測量值的加或減運算時，其答案的有效數
字位數需與最少小數位數 (decimal places) 的量有
相同的小數位數。
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第1章 科學與測量
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1.6 轉換因子和因子標記方法
第1章 科學與測量
ƒ 單位轉換 (unit conversions)，例如六個蛋等於半
打蛋，24英吋等於2英呎 (ft)。
ƒ 有些單位轉換可能需要一個系統性的處理方法，
稱為因子標記方法 (factor label method)，利用轉
換因子 (conversion factors) 將一個單位轉換成另
一個單位。轉換因子是來自於二個單位之間的數
值關係。
ƒ 例如運用2.205磅 ＝ 1公斤。則185磅 (lb) ＝ 83.9公
斤。
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第1章 科學與測量
健康聯結：體溫
ƒ 口腔溫度98.6 ℉(37.7 ℃)是正常的健康人之口腔溫
度 (97.2 ~ 99.9 ℉) 的體溫平均值。
ƒ 量肛溫是決定胸腔與腹部部位器官的溫度即為體
內體溫的最佳方式。
ƒ 口溫的量測能顯示皮表的溫度，亦即最靠近皮膚
部位的溫度。
ƒ 口溫量測較易造成誤差，而且可能會因為喝了熱
飲或冷飲而影響結果。
ƒ 耳溫和腋溫的量取亦是普遍的方式，但相較於肛
溫和口溫的量取，這些方法更容易造成誤差。
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第1章 科學與測量
健康聯結：體溫
ƒ 體溫也能夠經由量取顳動脈 (頭部靠近顳的動脈)
溫度和量取新鮮尿液的溫度而得到。
ƒ 口溫、腋溫、顳溫與尿液溫度大約比肛溫和耳溫
低1 ℉ 。這差異部分是由於大部分體熱的散失是
經由皮膚，所以體表溫度相較於體內溫度是稍低
一些。
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第1章 科學與測量
健康聯結：體溫
ƒ
溫度如何被測量？
1. 水銀溫度計是基於水銀受熱膨脹的原理。溫度愈高，
溫度計內的水銀就愈長。這類溫度計用來量得肛溫、
口溫和腋溫已經不受喜愛，因為判讀困難、易引發感
染，以及打破溫度計易造成人們曝露於有毒的水銀之
中。
2. 數字型溫度計的作用是依據熱感應器 (thermistor) 的原
理，是一種在較高溫度時有較高導電性的裝置。數字
型溫度計可被用來量取肛門、口腔和腋窩的溫度。數
字型溫度計的橡皮奶嘴已經發展出來並為嬰孩使用。
3. 第三種類型溫度計是偵測紅外線 (IR)能量，紅外線是
一種與熱有關的能量形式。
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第1章 科學與測量
健康聯結：體溫
耳溫溫度計與顳動脈溫度計(圖1.12)皆利用紅外線能
量並可快速使用。
5. 利用紅外線量取溫度的一個有趣的應用是某些機場已
經設置了遠距自動溫度感應器以掃描發燒的人 (圖
1.13)。這裝置最初是用來對抗SARS (severe acute
respiratory syndrome) 的散佈。
4.
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第1章 科學與測量
健康聯結：體溫
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第1章 科學與測量
ƒ 轉換因子：任何情況下，運用轉換因子是為了在
分子上得到所期望的新單位，藉此，原來的單位
會與另一單位相互抵消掉 (圖1.14)。
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
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第1章 科學與測量
溫度轉換
ƒ 華氏溫度與攝氏溫度的關係式：
℉＝(1.8×℃) ＋ 32
ƒ 攝氏溫度與凱氏溫度的關係式：
K＝℃＋273.15
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第1章 科學與測量
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