Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
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。 2 第1章 科學與測量 1.1 科學方法 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。 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。 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。 3 第1章 科學與測量 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。 「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)。 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。 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。 4 第1章 科學與測量 5 第1章 科學與測量 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。 理論是基於實驗的觀察而得,意謂它們有時是可 以改變的。 6 第1章 科學與測量 7 健康聯結:科學與醫學 第1章 科學與測量 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。 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。 胰島素首先在1922年被用來治療人類的糖尿病。 8 健康聯結:科學與醫學 第1章 科學與測量 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。 9 健康聯結:科學與醫學 10 第1章 科學與測量 第1章 科學與測量 1.2 物質與能量 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。 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。 11 第1章 科學與測量 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)。 固體有固定的形狀和體積。 液體有可變的形狀和固定的體積。 氣體有可變的形狀和體積。 12 第1章 科學與測量 13 第1章 科學與測量 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。 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。 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。 14 第1章 科學與測量 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)。 15 第1章 科學與測量 16 第1章 科學與測量 1.3 測量單位 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 17 第1章 科學與測量 測量由兩部分組成:數字和單位 (unit)。 公制系統 (metric system) 是全世界最常使用的測量 系統。 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) 18 第1章 科學與測量 19 第1章 科學與測量 國際單位制 (SI units) (國際單位制,即SI單位,它 與公制有關) 。 20 第1章 科學與測量 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 21 第1章 科學與測量 長度:公尺 (m) 是公制單位的長度單位。 1 m >1 yard 1 m = 3.281 ft 0.946 L = 1 qt 32℉ = 0℃ = 273.15 K 1 cal = 4.184 J 22 第1章 科學與測量 體積:公升 (L) 和夸脫 (qt) 是兩種常用的體積單 位。 溫度:公制系統使用攝氏 (℃) 溫度。在美國仍使 用華氏 (℉) 溫度。 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。 23 第1章 科學與測量 24 第1章 科學與測量 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)。 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。 25 第1章 科學與測量 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。 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 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。 26 第1章 科學與測量 27 1.4 科學記號和公制字首 第1章 科學與測量 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。 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)。 28 第1章 科學與測量 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。 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。 29 第1章 科學與測量 30 第1章 科學與測量 31 第1章 科學與測量 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。 32 第1章 科學與測量 33 第1章 科學與測量 34 第1章 科學與測量 1.5 測量和有效數字 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。 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。 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。 35 第1章 科學與測量 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。 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。 36 第1章 科學與測量 37 第1章 科學與測量 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。 38 第1章 科學與測量 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。 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。 39 第1章 科學與測量 表1.5摘錄用來決定有效數字的規則。 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。 正確數字 (exact numbers或稱真值) 具有無限個有 效數字。 40 第1章 科學與測量 41 第1章 科學與測量 42 第1章 科學與測量 有效數字的計算 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。 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)。 43 第1章 科學與測量 依下述規則可將數字四捨五入: 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)。 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)。 44 第1章 科學與測量 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。 45 第1章 科學與測量 46 1.6 轉換因子和因子標記方法 第1章 科學與測量 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)。 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。 例如運用2.205磅 = 1公斤。則185磅 (lb) = 83.9公 斤。 47 第1章 科學與測量 健康聯結:體溫 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。 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。 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。 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。 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。 48 第1章 科學與測量 健康聯結:體溫 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。 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。 49 第1章 科學與測量 健康聯結:體溫 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。 50 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. 51 第1章 科學與測量 健康聯結:體溫 52 第1章 科學與測量 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)。 53 第1章 科學與測量 54 第1章 科學與測量 55 第1章 科學與測量 溫度轉換 華氏溫度與攝氏溫度的關係式: ℉=(1.8×℃) + 32 攝氏溫度與凱氏溫度的關係式: K=℃+273.15 56 第1章 科學與測量 57