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科學閱讀素養─頂尖科學家教你讀科學
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作 者╱
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施如齡、施百俊
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出版社別╱
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小五南 |
書 系╱
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學習高手 |
出版日期╱
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2024/01/01
(1版 1刷)
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I
S B N ╱
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978-626-366-820-1
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書 號╱
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ZI3C
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頁 數╱
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180
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開 數╱
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20K
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定 價╱
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320 (特價 253)
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TTSS臺灣科學特殊人才提升計畫,全球頂尖科學家YouTube全球同步放送! 中央研究院葉永烜院士(2023總統科學獎) 盛情推薦
科學並非遙不可及,而是我們生活的一部分。每一個人,都可以成為科學家。
本書為臺灣科學特殊人才提升計畫之蓋婭科普講座之內容集結,由各領域頂尖科學家,同步全球放送。可作為中學生提升科學閱讀素養的學習補充教材,及面對大學招生素養導向命題的參考書。
本書特色------------------------------------------------------------------------------------------- *普及科學知識。介紹女性科學家。12個主題透過12位科學家影片,一起探索不同的科學領域。 *緊盯最新高中課綱:素養導向、強調跨領域學習。 *設計非連續文本、混合題組並附解答,升學考試沒煩惱。 *不會讀也可以看影片。每篇都附QR-Code可以線上收看,深化延伸閱讀。
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![](images/20200212/book-3.jpg) 施如齡 Ju-Ling Shih, Professor of National Central University 國立中央大學網路學習科技研究所教授,為美國哥倫比亞大學師範學院教育博士,傳播與教育科技雙碩士學位。學術專長為教育科技、遊戲式學習、跨域教學設計;曾榮獲科技部吳大猷先生紀念獎及優秀年輕學者計畫。為臺灣科學特殊人才提升計畫之蓋婭科普講座系列主持人。 https://sites.google.com/site/shihjuling/
施百俊 Bai-Jiun Shih, Professor of National PingTung University 國立屏東大學文化創意產業學系教授兼學術副校長。國立臺大商學研究所博士、康乃爾大學電機工程碩士。著有《不用讀書的國文課》、《學測物理/化學/生物》、《故事與劇本寫作》(均五南出版)等數十本著作。得獎無數,為國內重要的跨領域專家。 www.bjshih.idv.tw
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【推薦序】(中央研究院葉永烜院士) 【前 言】科學與我(國立中央大學施如齡教授) 單元一 半導體科技—─從原子到應用 單元二 從光學顯微鏡成像研究生物醫學 單元三 現代前沿的觀點——奈米科技與奈米技術 單元四 微中子:了解早期宇宙物理學的窗口 單元五 Covid-19 與氣膠 單元六 地球空間:我們地球的保護層 單元七 全球暖化加速地震的發生嗎? 單元八 多才多藝的MAO酶 單元九 量子物理為何重要 單元十 穿越印度洋、太平洋:史前南島民族的勇氣、智慧與旅程 單元十一 粒子追蹤與海洋研究 單元十二 發展網際網路新未來——命名資料 【跋】人人都是科學家(國立屏東大學施百俊教授) 【致 謝】
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![](images/20200212/book-99.jpg) 推薦序 中央研究院葉永烜院士(2023 總統科學獎)
科學素養是怎樣形成的?有了科學素養又會有何益處?如何可以找到科學素養的範本?這些大概都是這本書的讀者最關心的事。也是編著者施如齡教授的盡心盡力,擷取多位女性傑出學者在線講座內容的精華,希望藉著她們的榜樣向讀者傳達的訊息。 我們可以看到這些學者的成長過程很不一樣,研究領域也不盡相同。但一個共通點便是對學問的追求都是樂在其中,鍥而不捨。這和一切為考試而唸書的作風當然很不一樣。但這是不是便是科學素養?我覺得還是有不足,還有很大的差別。我想最透澈的科學素養應是了解不管自己的所學和專長,天生我材必有用,都能立志於服務人群,改善這個世界。猶太人的家庭教育和學校教訓便是如此。猶太人在科學研究及其他領域的成功正也因此之故。再有一個例子,我在澳門蔡高中學唸書時的余艷梅校長,一生以教育為其志業。余校長的墓碑上紀念她說:「一生便如使徒保羅,不求自己的益處。」我想這才是素養。
單元一 半導體科技─從原子到應用 King Liu, T. J. 劉金智潔 教授 [臺灣科學特殊人才提升計畫](2021, June 23) Semiconductor Technology – from Atoms to Applications [Video].
半導體 半導體被應用在我們生活周遭的各項設備,像是我們所持有的智慧型手機、音響甚至是汽車。現今,汽車製造商也無法購買足夠的半導體產品,也就是積體電路(圖 1);一般簡稱為IC (Integrated Circuit)或晶片。我們周圍所有電子設備都應用了積體電路,我們可以將積體電路想像成大腦,它是設備中重要的組成部分。現在我們有平板電腦、電視可以在家看電視,這些都是運用半導體技術的大型電子設備。
晶片是一塊非常小的半導體材料(圖 2),上面由位在同一塊矽上的許多電子組件組接而成。德州儀器公司(Texas Instruments, TI) 於1954 年展示了第一塊晶片;1968 年Robert Norton Noyce 和Gordon Moore 創立英特爾(Intel)公司;而現在,美國矽谷的公司持續研發晶片演進計算能力。
電晶體 電晶體(圖 3),也就是常聽到的固態電子元件,它位於矽片的頂部。圖中帶有顏色的導電材料,稱為電極(electrode)。而紅色的部分,我們稱為閘極(gate),所謂的閘極就像是開關,允許某些物質通過與否。
如果向閘極施加電壓, 且高過於臨界電壓(Threshold Voltage,Vth),電晶體就會允許電子在綠色部分的源極(Source)與汲極(Drain)之間進行流動,這時就會產生電流。因此,電晶體就像是一個機械開關,當你打開開關,你就能打開燈。圖 3 左下是電晶體的顯微照片。這個閘極長度是30nm,這樣的大小比頭髮的寬度還要小一千倍。 在理想狀況中,電晶體是一個開關,只有開與關兩種狀態,但實際上在圖表中可以觀察到當電晶體的電壓為0 時,它仍然會傳導一點點電流,這就是截止電流(Off-state Current),而這是我們不喜歡的狀態。事實上,電晶體經常處於不理想的狀態,他們在關閉時會傳導非零的截止電流。另外,向閘極施加的最大電壓稱之為Vdd,電壓決定了電晶體導通時的電流量,在導通時的電流稱之為導通電流(On-state Current)。導通電流越大,晶片計算得越快。理想情況下,如果想節省電池壽命讓手機使用更少量的電,必須讓手機在低電壓或較小的Vdd 下工作。但這就意味著電晶體的導通電流較少,手機運行的更慢。如果,我們可以設計具有較低臨界電壓的電晶體。這樣我們就可以擁有高導通電流,晶片運行的速度能更快,但另一方面會使截止狀態的漏電流(Leakage Current)上升,這也意味著電池壽命會下降。
單元三 現代前沿的觀點─奈米科技與奈米技術 Yeh, N. C. 葉乃裳教授
奈米科技與奈米技術 奈米科技與奈米技術已經成為一個重要的多學科研究,研究範圍從基礎科學到技術,包含空間、計算、通訊、消費電子、可持續性以及醫學等等皆具有重要影響(圖24)。拜曼於1959 年發表了演講,並向人們提到:「將來人們能夠在針頭上寫下整個植物百科全書。」這挑戰需要奈米大小的點狀結構來完成。但是,依如今科技進步的程度,這已經不是什麼大問題了。在1980 年代後期,隨著現代掃描探針顯微鏡的發明,所有東西都可以讓我們操縱單個原子,並創造尺寸只有幾奈米的半導體設備晶片。我們在奈米科技中做了什麼呢?我們試圖了解物理與化學原理,從原子到分子。人們使用奈米科技來研究各維度的現象,並設計與操作原子與分子大小的物理、化學特性及過程,然後能夠開發與製造功能性奈米材料與奈米設備。我們可以整合它們之後,將奈米的性質與系統的微觀現象進行連結。圖24 展示了石墨烯原子、奈米晶體、奈米陣列以及奈米設備,有很多技術性的應用。 今天在我們的電腦、手機還有很多無線應用的東西,都需要高密度的小型設備與數據儲存。因此,從醫學到國防、天文學研究、超靈敏探測器、空間探索、物聯網、量子計算、量子訊息,還有很多東西也是奈米級的東西,且性能是完全不同的。能源研究、光能發電儲能、碳吸能等,各式各樣的東西,實際上都受到奈米科技與奈米技術的重大影響。奈米技術本質上是高度跨學科的,包括物理、化學、生物學、表面與材料科學、神經科學、電機工程、機械工程以及資訊工程等等。
微影製程技術 奈米應用與相關的顯微鏡, 一般來說共分為三類: 微影製程(Photolithography)、電子束微影(Electron-beam lithography)以及聚焦離子束微影(Focused ion-beam lithography),它們是使用光進行微影製程、使用電子束來進行電子束微影,或是利用離子束來進行聚焦離子束微影等。這些所接觸到的是光學設計,因為量子力學中具有波粒二象性;粒子是波、波是粒子。因此,如果光是由量子組成,它們就像粒子,也是波。量子力學中的波粒二象性,能在顯微鏡設計中得到充分體現。 對現代產生巨大影響的第一件事,是過去沒有任何電子產品是使用微影技術(圖 25)。微影技術是製造現代奈米設備的主要技術。所有的電腦晶片以及商業應用中的設備,主要基於微影製程技術。這技術需要一種激光束和基板。基板是由光敏聚合物組成,所以需要用激光束在聚合物上書寫,之後被書寫的部分就會被顯影,也意味著可以去除。在基板下面有個鉻系統(Chromium),因此在開發的過程中,可以根據用光書寫的方式來去除鉻,用它來去除聚合物並蝕刻掉,之後進行圖形轉移 (Pattern transfer)。 |
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