物理在生活中的應用! 陳洋元 中研院物理所研究員加州大學, 物理博士. 1987 林暉閔洪圖均碩士助理 cheny2@phys.sinica.edu.tw
奈米材料與低溫物理實驗室實驗室的巡禮 Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory http://www.phys.sinica.edu.tw 研究群 學術上 低溫物理 & 奈米材料 : 高溫超導之研究磁性材料之研究奈米尺寸材料之研究重費米化合物之研究特殊薄膜製造與研究 應用上 熱電材料與溫差發電 溫度與紅外光感測器之研究 液氮冰凍工法之研究 液氮滅入侵紅火蟻之研究 奈米材料與低溫物理實驗室 Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory http://www.phys.sinica.edu.tw/%7elowtemp/
實驗室器材 Sample fabrication systems Arc welder Thermal evaporator for nanoparticles 奈米材料與低溫物理實驗室 Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory http://www.phys.sinica.edu.tw/%7elowtemp/
Sample fabrication systems Sputter Chamber Thermal evaporator 奈米材料與低溫物理實驗室 Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory http://www.phys.sinica.edu.tw/%7elowtemp/
Dilution refrigeratort=10 mk H=9 Teslas He 3 Measurement systems
準分子雷射濺鍍 (Excimer Laser Ablation 簡稱 ELA )( 建於 2003/3) 及奈米成長真空系統 ( 建於 1993/1)
收集盤 靶材 λ=193nm
雷射濺鍍奈米製程影片
樣品製備 CePt 2 奈米微粒 5nm (2,2,0) (2,2,2)
Group members, exchange students, summer school students
物理簡介 描述自然界萬物運行所遵循的道理 : 1. 力學 ( 古典力學 )- 描述物體運動 2. 聲學 - 介紹物質的波動 2. 電學 磁學 - 說明電與磁 進而發現電 與磁之間的交互作用 3. 光學 - 電磁波
1. 力學 ( 古典力學 ) 1. 物體的線性運動 F=ma; F= 力 m= 質量 a= 加速度線性運動 自由落體 圓周運動 2. 物體的轉動 τ =I α τ= 力矩 I= 轉動慣量 α= 角加速度 ; 物體的轉動 3. 介質的波動或振動 ; 聲波 水波 4. 能量 : 對物體作功 物體的運動 轉動到介質的波動都具有能量
2. 電學與磁學 1. 電學 : 電荷 電場 電荷具有電位 2. 磁學 : 磁極 磁場 磁鐵間的作用 3. 安培定律 : 電生磁 ; 法拉第定律 - 磁生電 4. 電場 + 磁場的交互作用, 也即是電磁波 -> 光. 電能 磁能 光均具有能量
電磁學示範 東吳大學 陳秋民老師http://science.scu.edu.tw/phy/LivePhysics/
乾電池 電導線 電流方向 磁鐵 磁場方向 受力方向 磁力線
物理的妙用 燈泡 ( 燈絲加熱 ), 日光燈 ( 電子與螢光 ) 微波爐 ( 電磁波 - 微波 ) 磁浮 ( 磁力相斥 ) 超聲波測距 超聲波檢查胎兒
如何證明空氣的存在? 1. 呼吸 2 煽扇子 : 有風 3. 吹氣球 : 氣是東西
熱漲冷縮? PV=n R T 理想氣體公式 P: 氣體壓力 V: 氣體體積 n: 氣體莫耳數 R: 氣體常數 T: 溫度 (K) 室溫 =300 K, 液態氮 =90 K
液氮降溫檢視氣體理想公式 PV=n R T 器材 : 氣球液氮 液氮 = 90 K 室溫 =300 K 浸泡到液但的氣球體積縮小為原來幾分之幾? 實驗示範 90/300=3/10
磁浮
N S N S N S N S 磁浮棒 N S N S
S F M1 F M2 S 300 g S F M1 300 g F M2
測距誰比我準?
超聲波測距
超聲波的應用
有比金屬導熱還快的東西嗎? 實驗示範
導熱棒
度 (各種材質溫度上升比較圖 75 70 導熱棒 80 溫65 60 55 50 45 40 銅 鋁 35 30 黃銅 25 20 15 )時間 (s) 不鏽鋼 0 100 200 300 400 500
熱電材料 為一種 熱 - 電 轉換之材料, 熱電偶的原理
壹. 研究動機 -Renewable Energy Harvest Solar cell Thermoelectric material α(v/k) ε Basic structure of a generic silicon PV cell 優點 : 無 band width of light
熱電風扇實驗示範
燃料電池
非常棒的動畫
液氮的妙用 : 隧道冰凍
Sensor 1~2 排氣管 1 16 2 15 2 土壓計 4 3 ~1 14 2m 2.5m 4 2.0m 50c m Sensor 3~4 Ⅱ 2.5 m 75c m 1.5 m Ⅰ SI~ 土壓 ~21 Ⅲ 計 Sensor 5~6 13 Ⅳ 5 1.75 m 2m 12 SI~ 2 6 SI~ 3 11 3 1 10 7 8 9 Sensor 7~8 : 土壓計埋置位置 : 鋁合鋼金冰凍管 : 解壓孔 : 溫度探測管 : 碳鋼冰凍管 : 不銹鋼冰凍管 圖 3-9 中研院土壤冷凍實驗之配置圖 : 傾斜管
20.00 10.00 溫度計 1 溫度計 2 溫度 0.00-10.00-20.00-30.00-40.00 第一次岩石冰凍試驗開始 流量控制變小, 維持至 30 日開挖 冰牆開挖第一次岩石冰凍試驗結束 解凍開始 0 50 100 150 200 250 300 350 溫度計 3 溫度計 4 溫度計 5 溫度計 6 溫度計 7 溫度計 8 註 : 奇數號溫度計在晚上因流量變小, 有間歇回溫的現象 時間 ( 小時 ) 圖 5-1 第一次岩石冷凍實驗溫度變化之記錄
液氮冰凍工法於地下污水工程
溫度計
R=40 mm R=50 mm
4/07 ( 第 1 天 ) 安裝冷凍管及溫度計 20:30 開始灌液氮 板橋地區 4/08~4/9 ( 第 2-3 天 ) 持續充灌液氮, 結霜已包覆鐵環
4/10 ( 第 4 天 ) 持續充灌液氮 4/11 ( 第 5 天 ) 土體溫度降至零下
14:40 冷凍管全數拔除 1 2 5 3 4 10:25 開始施作 10:48 拔出第一支 11:05 拔出第二支 11:52 拔出第三支 14:40 全部抽出
2005 科學季 探索物理博覽會 溫差發電 陳伯仲 劉佳誠 ( 研究助理 ) 中央研究院物理研究所
海洋溫差發電
液化天然氣溫差發電 液化天然氣 (-162 ) 與周圍環境 (20 ) 間的溫差進行溫差發電 每年進口約 600 萬噸的液化天然氣, 進口量預計可達 1200 萬噸 / 年 完全無二氧化碳產生
液化天然氣溫差發電工作原理 - 如火力發電用高壓蒸氣推動渦輪發電機, 液化天然氣溫差發電則為液化天然氣冷凝一氧化氮, 然後以高壓一氧化氮氣體推動渦輪發電機 水 水蒸氣 -151C 20 C 100 C NO Liq 液化天然氣 NO gas
壓力計 帶動渦輪發電 發電機 壓力計 安全閥 閥門 工作氣體 逆止閥 氧氣冷凝 加熱蒸發 加壓器 蒸發器 凝結器
液化與汽化發電影片
紅火蟻的物理防治 : I. 入侵紅火蟻簡介 II. 液氮滅紅火蟻物理防治之緣起與方法 III. 其他各種物理防治方法之研發
為什麼叫做入侵紅火蟻? 入侵紅火蟻的名稱由來 : 1. 為入侵之外來種 2. 其體色偏紅 3. 被叮咬後會有如火灼傷般疼痛感, 之後還會出現如灼傷般的膿皰, 因此而得名 入侵紅火蟻腹部末端的螫針及其造成之膿皰 http://www.fireant-tw.org/main02/main02g.html
入侵紅火蟻巢具有蟻丘的結構, 照片中的蟻丘高度約 40 公分
水平覓食搜索通道離地表約 3cm http://www.ocvcd.org/fireants/pics/rifamound.jpg
蟻巢模型 : 初期之蟻巢結構
中央車站垂直通道橫向蟻穴取水通道 左圖為本實驗室灌鑄之蟻巢模型 ; 右圖為 Dr. Walter Tschinkel 灌鑄之蟻巢模型
II. 其他各種物理防治方法之研發 電擊法 窒息法 凍死 熱死
電擊棒與電魚器 高壓電擊棒 ( 電壓 30 KV, I~ 5 ua) 民間電魚器 ( 平均電壓 430 V~1000 V)
電魚器測試
以電擊棒電擊火蟻 兩放電極間產生高壓電弧遭電擊之螞蟻立刻死亡! 缺點 : 螞蟻僅於放電路徑上死亡, 兩極間距超過十公分無效
1b 直流電電擊實驗 -( 跨接於火蟻兩端 ) 電壓 狀態 電流 (μa ) 電阻 (Moh m) 40V 抽動 1.5 26 Fire ant 50V 抽動 2.3 22 60V 昏 2.7 22 70V 死 3.8 18 80V 死 4.5 18 將螞蟻用膠帶輕輕黏貼於兩金屬膠帶之間,
電擊結論 : 火蟻需要之電壓與電流 因火蟻本身有蠟與角質層電阻很大 ~ 20 Mohm 電擊如要有效 V ~ 10000 V I ~ 數 A 對人員造成危險
II b 窒息 火蟻於純氮氣窒息所需時間 ~70 分
First we should find the temperature range which fire ant can t stand Alive zone zone zone
液氮撲殺紅火蟻示意圖
液氮噴出孔 高壓液氮管
影片播放高壓液態氮影片
蟻巢開挖後見到之死亡個體 ( 成蟻與幼期個體 ) 紅火蟻與蛹屍體
火蟻屍體
案例二火蟻經由枯木跨河進入萬大校園 11/22/2004
挖開蟻巢之結果 死亡之火蟻成蟲 蛹與幼蟲
IV. 蟻巢的偵測 蟻巢搜尋的方法
III A. 蟻丘之偵測 遠紅外光顯像儀之測試 : 動機 : 利用蟻巢之溫度有別於背景溫度 測試 : 1. 清晨 2. 日出
二. 火蟻巢穴之偵測 清晨 4:56 蟻丘溫度比背景低 1-1.5 C 日出 7:41 背景溫度迅速上升, 雜草溫度較低蟻丘不易判斷
生物偵測 : 偵測犬 室內與戶外訓練 : 學習辨識紅火蟻, 偵測紅火蟻之敏感度, 適應不同工作環境, 並偵測紅火蟻樣本 野外實地偵測 : 培養獨立偵測戶外紅火蟻的能力
共計 35 個罐子分三排排列, 讓犬嗅聞死亡的入侵紅火蟻及蟻穴土, 隨即要求以坐下為反應方式 以食物為獎勵
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實驗室之氣相層析儀 GC 證明可用來偵測紅火蟻 院長指示可否進一步使用可攜帶式氣相層析儀 (GC) 直接偵測紅火蟻? 分析速度與電子鼻相當色譜指紋圖色譜分析時間 : 15 秒 < 通常 <60 秒 攜帶式氣相層析儀 (GC)
攜帶式氣相層析儀 (GC)+ 電子鼻可測得巢土與火蟻 樣品 : 死的紅火蟻 ( 藍色 ) ; 活的紅火蟻 + 巢土 ( 紅色 ) ; 巢土 ( 綠色 ) 待鑑定樣本 結論 : 以攜帶式氣相層析儀 (GC)+ 電子鼻可用已偵測紅火蟻
物理是不是有很多應用? 物理也是一門訓練邏輯推理的學科如志向尚不清楚可考慮先修物理再轉有興趣之科系