能量转换的趣味科学

趣味科學──能量轉換植物可以透過光合作用，製造自身需要的養分或能量，人類生存則完全依賴外界供應能量。例如，我們必須把食物的化學能，轉換成身體需要的熱能以維持生命。古代形成的化石能源（石油、煤、天然氣等），我們也要挖掘它、燃燒它，釋放它的化學能，以產生熱能與動能，來轉動發電機，才讓大家每天有電可用。利用化石能源發電，我們統稱為火力發電，約佔我國發電量的75％，因為它有燃燒過程，因此產生許多「熱耗損」，火力發電的能量轉換效率一直停留在30％左右，且帶來巨大的全球溫室氣體污染。自從工業革命以來，人類使用化石能源，製造大量的二氧化碳。在工業革命前一千年，大氣二氧化碳含量一直維持在280ppm左右（百萬分之一稱為1ppm）。工業革命之後，二氧化碳含量迅速增加，1950年代之後，增加速率更快，到1995年濃度已達358ppm，2009年更飆升至388ppm。許多科學文獻顯示：全球暖化、極端氣候等氣候變遷現象，與二氧化碳的增加，呈現顯著的「正相關」。六種主要溫室氣體裡，二氧化碳佔最大宗，它要為60％的「地球溫室效應」負責。我國2013年每人每年的排碳量在11公噸以上，高居亞洲第一名，招來不少國際指責。因此，2008年政府訂定「能源國家型科技計畫」，規定我國排碳量將於2025年降低至2000年的水準(9.69公噸/人)；2050年則降低至2000年水準的50％(4.845公噸/人)，以展現善盡地球成員的責任，符應國際社會對我們的期望。為達成上述減碳目標，我國勢必逐漸發展較貴的「無碳能源」，例如風力、水力、人造地熱、生質能、太陽能、海洋能、綠建築等。2012年我國已推出「陽光屋頂百萬座」及「千架海陸風力機」計畫，預計2030年完成。2013年對於「陽光屋頂百萬座」太陽光能發電，每度電收購價格高達8.4元，未來電價水漲船高，已成為必然趨勢，大家要加強節能知識與行動，以減少荷包大量失血。我國目前發電成本每度電約2.8元，售電價格約2.6元，其虧損由全體納稅人吸收。但此並非長久之計，預估我國電價可能於數年內逐漸調整接近5元，隨著各種能源價格高漲，十年後可能逐漸向10元大關接近。2013年德國家庭用電已接近12元！談了許多能量與能源的現況，讓我們輕鬆一下，來玩玩能量轉換的趣味科學遊戲吧！鉛筆靜電馬達──電能轉換動能我們常聽過交流電馬達或直流電馬達，靜電馬達則鮮少運用在日常生活。馬達的主要功能是把電能變動能；發電機反之，是把動能變電能。（1）材料：取保特瓶1、三角形鉛筆1（三角形不易滾動、利百代公司有生產）、吸管1、廚房常用的擦手紙巾1（2）操作：將三角形鉛筆置於保特瓶蓋子上，以擦手紙巾摩擦吸管十餘下，此時吸管已帶有負電，三角形鉛筆則是帶正電（或感應產生正電），因此吸管便可吸引鉛筆，而產生快速旋轉了！（註：吸管勿與鉛筆接觸）（本遊戲原創者：林麗華老師）手溫的神奇功能──熱能轉換動能（1）材料：取保特瓶1、少量的水（2）操作：將保特瓶蓋子頂部平面塗上水，保特瓶口也塗上水（增加密合度），把蓋子頂部平面放在保特瓶口，以手輕輕握住保特瓶，這時手部熱能會加熱瓶內空氣，使空氣膨脹並產生動能，頻頻衝出瓶口，使保特瓶蓋子不斷跳動（如蓋子跳歪了，請扶正它，以免漏氣），一直等到蓋子不跳動了，手離開保特瓶，靜置約1分鐘（等待瓶內空氣冷縮），手輕鬆拿著蓋子，即可黏起保特瓶了（因瓶內氣壓稍低於瓶外氣壓）。（本遊戲原創者：林麗華老師、演示者李通全老師）──動能轉換聲能冰棒棍或壓舌板2至3片（文具行皆可購得，價格廉宜）操作：在冰棒棍或壓舌板一端穿洞，綁妥細繩，以透明膠帶固定冰棒棍或壓舌板，使其成為一體。首先，把再施以水平或垂直的圓周運動，會發出不同的音頻與響度，且規律性產生「上飄」與「下沉」變化。其原理涉及彈