《化學》

一、化學是什麼
貼近生活且不可或缺的「化學」 10
文明隨著用火而興起 12
「在生魚上抹鹽」不只是為了調味 14
「濃郁的香氣」也是化學的產物 16
用肥皂洗手能有效「對抗冠狀病毒」的原因 18
為什麼冰箱和冷氣機會製冷呢？ 20
使骯髒空氣變乾淨的「光觸媒」 22
智慧型手機內藏著許多寶藏 24
「玻璃」是凝固的液體？ 26
大量的分子在廚房裡相遇和分離 28
化學測驗
來挑戰莫耳的計算吧！ 30

二、來研究原子和元素吧
一切都是由「原子」組成的 36
一窺原子的「內部」 38
原子中的「電子」分散在不同的層 40
現代科學所揭示的原子樣貌 42
「週期表」是化學的導覽圖 44
Coffee Break 以紙牌遊戲為靈感製作週期表 46
元素的性質是如何決定的？ 48
縱向排列的元素具有相似的特性 50
同一元素中存在不同重量的原子 52
原子透過電子的進出而變成「離子」 54
化學研究的累積促成「離子」的發現 56
與水產生激烈反應的「鹼金屬」 58
Coffee Break 為夜空上色的金屬元素們 60
碳和矽都具有「4隻手」 62
跟誰都不易反應的「惰性氣體」 64
「金屬」能傳導電流與變形的祕密 66
高科技產品不可或缺的「稀土元素」 68
構成人體的6種主要元素 70
宇宙中的元素有98%以上是氫和氦 72
Coffee Break 地球每年都在變輕！ 74

三、簡直就是魔法！物質的結合與化學反應
原子相互連接的三種模式 78
將分子連接在一起的「氫鍵」 80
分子排列整齊、規律的「晶體」 82
物質從氣體變成液體，再變成固體 84
溫度和壓力可以改變物質的狀態 86
Coffee Break 這是碳，那也是碳 88
「化學反應」是原子的排列變化 90
什麼是「可溶於水」？ 92
物質溶解於水中，使水不易結凍 94
帶有「鮮味」的物質，照鏡子後鮮味就不見了？ 96
檸檬的酸味來自所含有的「酸」 98
用中和反應來製作碳酸水 100
標示「危險！請勿混用」的清潔劑，為何混用會有危險？ 102
「從空氣中製作麵包」的兩位化學家 104
蠟燭燃燒的原理 106
引起激烈燃燒反應的物質，促成炸藥的開發 108
製鐵是大規模的「還原反應」 110
Coffee Break 鑽石也會燃燒 112

四、現代社會不可或缺的有機化學
在生命體外也能製造「有機物」 116
在有機化學裡，碳是主角 118
從週期表看碳的「優勢」 120
有機物的形狀取決於碳的連接方式 122
Coffee Break 連接方式不同，就會變成不同的物質 124
「綴飾」決定有機物的性質 126
自然界中千變萬化的有機物 128
常見的大量人造有機物 130
塑膠與合成纖維都是以碳鏈為基礎 132
解熱鎮痛藥中的長青樹也來自有機化學 134
次世代能源的「燃料電池」 136
有機化學正邁向新時代 138

附錄
十二年國教課綱自然科學領域學習內容架構表 141

《週期表》

一、何謂週期表
包含了118種元素的「最新週期表」 10
一切皆可還原為「元素」 12
元素們各有獨特的性格？ 14
從卡牌遊戲誕生出「週期表」 16
隨著新元素的加入，逐漸壯大的週期表 18
根據原子中所含的質子數量排列 20
為何存在「非整數」的原子量 22
原子的電子存在於不同的分層中 24
為什麼週期表上半部的元素較少？ 26
118種元素分別是在何時、何地被發現？ 28
元素名稱的由來① 起源於神話和人名的元素名稱 30
元素名稱的由來② 起源於地名和天體名的元素名稱 32
元素名稱的由來③ 起源於礦物名或外觀的元素名稱 34
有點奇特的「元素名稱」的由來 36
宇宙中最早誕生的元素 38
在星球內部誕生的重元素 40
宇宙中元素的豐度呈鋸齒狀 42
Coffee Break 元素和原子有何不同？ 44

二、從週期表解讀元素的性質
元素的特性由「電子」決定 48
「橫」排的元素具有共通點 50
「直」行的元素具有相似的性質 52
Coffee Break 地球上最豐富的元素為何？ 54
第1族 激烈進行化學反應的「鹼金屬」 56
第2族 在人體內也發揮作用的「鹼土金屬」 58
第3∼11族是性質相似的大家族 60
第3族 放出輻射而衰變的「錒系元素」 62
第4族 擁有特殊性質的「鈦族元素」 64
第5族 形成耐熱合金的「釩族元素」 66
第6族 形成「堅硬金屬」的「鉻族元素」 68
第7族 除了錳之外皆相當稀有的「錳族元素」 70
Coffee Break 由人工製造的元素們 72
第8∼10族 推動人類文明發展的「鐵族元素」 74
第8∼10族 支撐社會的催化劑「鉑族元素」 76
第11族 具有高性能的「銅族元素」 78
第12族 對人體既必需又有害的「鋅族元素」 80
第13族 藍色LED中的關鍵「硼族元素」 82
第14族 IT社會中不可或缺的「碳族元素」 84
第15族 氮和磷是生命不可或缺的「氮族元素」 86
第16族 形成眾多礦物的「氧族元素」 88
第17族 激烈反應形成「鹽」的「鹵素」 90
第18族 不發生反應的稀有氣體「惰性氣體」 92
Coffee Break 海水和血液的成分相似 94

三、從週期表來觀察離子的性質
釋放電子形成「陽離子」 98
接收電子形成「陰離子」 100
食鹽的顆粒是離子的晶體 102
同一族的元素形成類似的離子 104
愈靠週期表左下方的元素，愈容易形成陽離子 106
愈靠週期表右上方的元素，愈容易形成陰離子 108
食鹽為何能在水中溶解？ 110
離子大活躍－電池的前身「伏打電池」 112
各種離子發揮作用的「碳鋅電池」 114
大腦用離子進行訊息的傳遞 116
Coffee Break 週期表孕育出電池新材料 118

四、占據週期表大部分的金屬元素
金屬原子透過「自由電子」的作用相互結合 122
金屬閃耀的原因在於電子的作用 124
金屬傳導電與熱的原理 126
所有金屬都會被磁鐵吸附嗎？ 128
為什麼稀有金屬被稱為「稀有」呢？ 130
具有獨特性質的重要元素「稀土元素」 132
存在於金屬和非金屬之間的半導體 134
現存元素到底能排到第幾號？ 136
Coffee Break 捲筒狀或樹狀的奇妙週期表 138

附錄
十二年國教課綱自然科學領域學習內容架構表 142

《光與色的科學》

序章
我們的周遭充滿了光的現象 8

一、光會彎曲、分離
太陽光中包含了無數的色光 12
顏色的差異就是光的「波長」差異 14
眼睛看得見的光並非光的全部 16
照進水裡的光為什麼會彎曲？ 18
光在鑽石中會減速40% 20
為什麼放大鏡能使物體看起來變大？ 22
為什麼戴上眼鏡會看得更清楚？ 24
照相機拍攝照片的原理 26
不同顏色的光在玻璃中的速度也不同 28
凸透鏡不可能將光完全集中在一點 30
彩虹為什麼看起來分成7種顏色？ 32
海市蜃樓是空氣中折射的光 34
夜空中的星星不在你看到的方向 36
Coffee break 閃電為什麼呈鋸齒狀 38

二、光會反射、疊合
鏡子裡為什麼會出現自己的身影？ 42
物體會將光線反射到四面八方 44
水和玻璃都能成為鏡子 46
Coffee break 因為全反射而閃耀美麗光芒的鑽石 48
讓人心曠神怡的藍天是光線散射的結果 50
為什麼晚霞不是藍色而是紅色？ 52
Coffee break 火星的晚霞和晨曦是藍色的 54
泡泡的顏色是如何形成的？ 56
閃耀七彩光輝的生物祕密 58
為什麼關燈後馬上就變暗？ 60
Coffee break 海水藍與天空藍有什麼不同？ 62

三、光能夠呈現色彩
3種色光形成所有色光 66
光線本身沒有顏色 68
眼底的紅、綠、藍感應器 70
葉子看起來呈綠色，是因為反射的光色 72
色彩3原色請用「減法」來理解 74
紅寶石和藍寶石就像是「親戚」 76
鳥類看見的世界比人類更加鮮豔？ 78
Coffee break 天才畫家創造的獨特用色 80

四、直擊光的真面目
光通過狹縫後擴散並繼續前進 84
證明光是「波」的實驗 86
紫外線和X射線都是「電磁波」 88
光是自然界中的極速「飛毛腿」 90
透過齒輪實驗即可測量出大致的光速 92
「磁鐵」掌握了光的真面目 94
電與磁有許多相似之處 96
電流通過線圈時會產生磁場 98
磁鐵靠近線圈時會產生電場 100
電場與磁場如鎖鏈般串接起來 102
電磁波能夠傳遞能量 104
電磁波的波長愈短，頻率愈高 106
光並不是單純的波！ 108
光可以移動物體？ 110

五、利用光（電磁波）的性質
為什麼微波爐能加熱食物？ 114
我們的身體會釋放出紅外線 116
星體為什麼會呈紅色或藍色？ 118
各種顏色的煙火 120
變換軌域時會發光的電子 122
透明的物質與其他物質有什麼不同？ 124
光觸媒所發揮的清潔效果 126
Coffee break 極光是「激發」的原子恢復穩定時發出的光 128
節能且明亮的LED燈泡的原理 130
雷射光是同調波形成的光 132
雷射光活躍於DVD等裝置 134
光纖透過光來傳遞訊息 136
Coffee break 超越傳統雷射的終極雷射 138

附錄
十二年國教課綱自然科學領域學習內容架構表 142

《單位與定律》

序章
生活中充滿了「單位」！ 8
「定律」與「原理」是自然界的規則 10

一、世界通用的基本單位
「公尺」以光的前進距離為基準 14
「公斤」以光的能量為基準 16
「秒」由銫原子決定 18
「安培」取決於電子的流動量 20
表示絕對溫度的「克耳文」 22
「莫耳」表示的是龐大粒子數 24
「燭光」是顯示光源亮度的指標 26
Coffee Break mega與giga是什麼意思 28

二、組合基本單位的「導出單位」
「赫茲」是波每秒振動的次數 32
能量單位「卡」與「焦耳」 34
表示作功效率的「瓦特」 36
「牛頓」表示使物體加速的力 38
表示壓力強度的「帕斯卡」 40
角度單位「弧度」與「球面度」 42
顯示推動電流作用的「伏特」 44
「歐姆」表示電流不易通過的程度 46
表示磁通量強度與密度的「韋伯」與「特士拉」 48
表示光通量的「流明」，表示照度的「勒克斯」 50
Coffee Break 源自於科學家名字的導出單位 52

三、不同於國際單位的「特殊單位」
地震時使用的「震度」與「規模」 56
表示資訊量的「位元」與「位元組」 58
表示宇宙距離的三種單位 60
表示酸鹼度的「pH」 62
表示聲音變化的「分貝」 64
表示鑽石質量的「克拉」 66
測量血壓時使用的「毫米汞柱」 68
還有很多特殊單位 70
Coffee Break 古代用人體測量長度 72

四、運動與波，電與磁的定律
伽利略發現的「自由落體定律」與「單擺的等時性」 76
牛頓第1運動定律「慣性定律」 78
牛頓第2運動定律「運動方程式」 80
牛頓第3運動定律「作用力與反作用力定律」 82
說明彈力作用的「虎克定律」 84
從光波與聲波中發現的「反射定律」與「折射定律」 86
Coffee Break 足球中出現的3 大運動定律 88
表示電流、電壓、電阻關係的「歐姆定律」 90
說明電器產品為什麼會發熱的「焦耳定律」 92
顯示電流與磁場相關性的「安培定律」 94
運用3根手指的「弗萊明左手定則」 96

五、近代物理學與宇宙定律
愛因斯坦的「光速不變原理」 100
奠定廣義相對論的「等效原理」 102
從狹義相對論導出的「E=mc^2」 104
Coffee Break 成為相對論起點的「伽利略相對性原理」 106
「動量守衡定律」讓火箭飛向宇宙 108
「角動量守恆定律」說明高速旋轉的原理 110
說明能量來源的「能量守恆定律」 112
變得均質化的「熵增原理」 114
Coffee Break 微觀的世界裡，就連原理也變得「曖昧」？ 116
說明行星運動的「克卜勒定律」 118
牛頓發現的「萬有引力定律」 120
從物體的顏色就能得知溫度的「維恩位移定律」 122
發現宇宙膨脹的「哈伯‒勒梅特定律」 124

六、化學與生物學的定律
顯示氣體體積與分子數量關係的「亞佛加厥定律」 128
顯示氣體行為的「波以耳‒查理定律」 130
說明遺傳機制的「孟德爾氏定律」 132
顯示族群內基因頻率的「哈溫定律」 134
顯示神經細胞興奮狀態的「全有全無律」 136
Coffee Break 未能充分介紹的其他定律 138

附錄
十二年國教課綱學習內容對照表 142

《人體》

一、攸關性命 肺．心臟．血液的運作機制
「肺」藉由回縮的力量吐出空氣 10
肺內有數億個小房間 12　　　　
Coffee Break 暫停呼吸就能止住打嗝？ 14
「心臟」負責全身的血液循環 16
心臟的「撲通撲通」聲是瓣膜開關的聲音 18
運動時血液量會增加 20　　　　
Coffee Break 運動員的心跳速率還不到一般人的一半？ 22
「血液」是流動的臟器 24
血液由「骨髓」製造出來，進而循環至全身 26
透過血液檢查能了解健康狀況的理由 28
「免疫系統」是守護身體的防衛隊 30　　　　
Coffee Break 一旦免疫系統出現「誤判」 32

二、保護、支撐、執行動作 皮膚．骨骼．肌肉的運作機制
「皮膚」能感知疼痛、溫度等刺激 36
皮膚也能調節體溫 38
「毛髮」和「指甲」都是皮膚的一部分 40
Coffee Break 決定髮色的因子為何？ 42
「骨頭」可為人體塑型，保護內臟等器官 44
骨頭會持續更新 46
「脊柱」具有支撐上半身、保護重要神經的作用 48
「肌肉」附著在骨骼上，執行身體的各種動作 50
由多塊肌肉互相連動做出身體的動作 52
鍛鍊肌肉可以讓肌肉細胞變大 54
Coffee Break 你有「手機脖」嗎？ 56

三、掌控人體運行的網路　腦．神經．激素的運作機制
「腦」是人體所有訊息和運動的指揮中心 60
「大腦」的各個區域皆有不同功能 62
「脊髓」也會對身體下達動作指令 64
Coffee Break 人腦在出生前就已經布滿皺褶 66
「自律神經」不受意志控制運作 68
「激素」能讓各器官的狀態保持穩定 70
「神經細胞」是腦部活動的主角 72
神經細胞是如何傳遞訊號的呢？ 74
Coffee Break 請留意腦的「神話」！ 76

四、看、聽、聞、嘗 感覺器官的運作機制
「眼睛」的構造就像數位相機 80
「視網膜」內有接收光線的感應器 82
一旦傳遞至腦部的「傳輸線」受損，就會喪失視野 84
進入「耳朵」的聲波可以增幅約20倍 86
耳朵是人體維持平衡的關鍵 88
只有最初1秒嗅得到氣味的「鼻子」 90
味覺的感受器多集中在舌尖和舌根 92
Coffee Break 喉嚨也能感受到味覺!? 「喉韻」的秘密 94

五、生存的能量來源　消化和吸收的運作機制
食物消化過程中不可或缺的「唾液」 98
「牙齒」表面是人體最硬的部位 100
「食道」會透過肌肉的運作將食物往前推送 102
「胃液」會對進入「胃」的食物殺菌 104
Coffee Break 食物為什麼需要消化？ 106
「十二指腸」是真正消化的場所 108
「胰臟」也與血糖值的調節有關 110
「肝臟」是營養物質的儲存庫兼化學工廠 112
「小腸」的長度達6公尺以上 114
「大腸」內棲息著重達1.5公斤的細菌 116　　　　
Coffee Break 胺基酸是建構人體組織不可或缺的元素 118

六、兩者關係密切 泌尿系統和生殖系統的運作機制
「腎臟」每天過濾170公升的血液 122
「膀胱」壁的厚度會變薄至5分之1 124
女性的膀胱容量略小於男性 126
「精子」的生成過程約需2個月 128
「卵子」排出的周期約為28天 130
在「子宮」等待誕生的胎兒 132
Coffee Break 腹中胎兒的成長過程？ 134
「胎盤」是供給胎兒養分的器官 136
「乳房」會在雌激素的刺激下發育 138

附錄 十二年國教課綱學習內容對照表 142

《手機腦與運動腦》

前言 3

序章
腦是演化歷史中孕育出的最高傑作 8
腦科學闡明智慧型手機與腦部的科學關係 10
給人類帶來衝擊的「ChatGPT」 12

一、智慧型手機對腦部帶來的影響
智慧型手機有許多讓人沉迷的設計 16
SNS會刺激腦部的「酬賞系統」 18
開始進行研究的「手機成癮症」 20
調查自己的「手機成癮程度」吧 22
用手機讀書會降低解讀能力？ 24
光是把手機放在口袋裡就會使專注力降低？ 26
網路使用頻率太高的話會延緩腦部發展？ 28
十幾歲的青少年中有七成因為手機而睡眠不足 30
現代人最容易陷入的「數位失憶症」是什麼？ 32
家長使用手機的負面影響也會波及孩子 34
Coffee Break 連接腦部與身體各部位神經的脊髓 36

二、讓智慧型手機成為神隊友的方法
限制手機的使用時間 40
手機本來就設計成要吸引人的注意力 42
黑白畫面會讓人感到無趣 44
智慧型手機用戶的大腦正在進化 46
線上遊戲的隊友「腦波會同步」！ 48
只要好好利用也可以讓手機提升睡眠品質 50
大腦和手機連接的未來 52
Coffee Break 「邊走路邊用手機」是多工處理 54

三、運動對腦部帶來的效果
「運動」會使用腦部的各種領域功能 58
一流足球選手的華麗腳法的秘密就在於腦部 60
腦部對肌肉下達指令的機制 62
人類可以維持正確姿勢要歸功於大腦基底核 64
「身體記憶」的機制是什麼？ 66
用中強度的運動活化腦部運作 68
運動會對掌管記憶的海馬迴帶來影響 70
文武雙全其實是理所當然？腦和運動的相關關係 72
運動帶來的心理健康效果 74
Coffee Break 活動身體消除壓力 76

四、酬賞對大腦決策帶來的影響
大腦是如何選擇行動的呢？ 80
大腦的決策方式有兩種模組 82
做決定時發揮極大影響的「多巴胺」 84
「酬賞效果」在腦中產生作用的原理 86
意料外的酬賞會讓大腦分泌更多的多巴胺 88
計算風險估算酬賞的大腦 90
學習效率會被情緒所左右 92
如果有自己做決定的感覺，大腦會更積極 94
提升動力的誇獎方式是什麼？ 96
「獎勵」可能會帶來反效果 98
Coffee Break 貫徹始終的腦、挫折放棄的腦 100

五、大腦和社會活動
一邊講電話一邊不自覺點頭致意的原因 104
藉由遊戲探究人類的行動 106
採取合作行動的腦部特徵 108
採取利他行動者的大腦下決策的速度較快 110
從腦科學誕生的「行為經濟學」 112
「外地旅遊不用怕丟臉」也是大腦的選擇 114
改變心意時的大腦活動狀態 116
Coffee Break 禮物是看「誰給的」來決定價值 118

六、支撐AI發展的腦科學
神經元的研究對AI的發展帶來貢獻 122
將可以同時處理資訊的大腦特性運用在AI上 124
模仿大腦機制的人工神經元 126
圖像辨識技術帶來革命的「深度學習」 128
利用「記憶的機制」提升資料的活用效率 130
語言能力飛躍性提升的「ChatGPT」 132
圖像生成AI讓腦部活動圖像化 134
Coffee Break 以分鐘為單位感知時間流動的海馬迴和紋狀體 136

十二年國教課綱學習內容對照表 141

《化學》

一、化學是什麼
貼近生活且不可或缺的「化學」 10
文明隨著用火而興起 12
「在生魚上抹鹽」不只是為了調味 14
「濃郁的香氣」也是化學的產物 16
用肥皂洗手能有效「對抗冠狀病毒」的原因 18
為什麼冰箱和冷氣機會製冷呢？ 20
使骯髒空氣變乾淨的「光觸媒」 22
智慧型手機內藏著許多寶藏 24
「玻璃」是凝固的液體？ 26
大量的分子在廚房裡相遇和分離 28
化學測驗
來挑戰莫耳的計算吧！ 30

二、來研究原子和元素吧
一切都是由「原子」組成的 36
一窺原子的「內部」 38
原子中的「電子」分散在不同的層 40
現...