和百年公斤原器說再見!七大國際單位制520 起換定義啦!
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目前七大國際單位制當中,有六個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有一個單位可以用實際物體來表示,那就是「公斤」。
(不過在1960 年以前,公尺也有一根實體棍子來 ...
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和百年公斤原器說再見!七大國際單位制520起換定義啦!
valeriehung
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2018.11.15編按:國際度量衡大會將在明天(2018.11.16)拍板定案最新的「一公斤」定義,也就是說,參考的標準將從實體的「鉑銥公斤原器」改為基於更加精準的「普朗克常數」,大會決議後,新的定義將在2019.05.20正式生效。
究竟國際通用百年的「公斤」定義為何要改變、要如何改變,讓我們一起來了解吧!
未來,一公斤將可能不再是我們熟知的一公斤,一公尺也不再是一公尺,這並不是在暗示你的身高體重又隨著年歲的變化,而是我們的七大國際單位制又有機會更新啦!這對整個科學界來說,可能是比諾貝爾獎更激動的大事件啊!
科學界即將在2018年更新測量單位,但放心,你的身高體重或腰圍都不會突然改變。
圖片來源:Maxpixel
雖然iPhone幾乎每年推出新版本,微軟也在三十多年之間從windows1一路更新到了windows10,不過軟硬體規格不合,勉強能靠著轉接頭、發布更新檔湊合著用,但度量衡這種涉及全球各行各業的標準,不能說改就能改的,每次要更新都得從長計議。
原本科學家將質量、長度、時間、電流、溫度、物質量、發光強度,這七個物理現象的單位定義為「公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)和燭光(cd)」而根據國際度量衡委員會(CIPM)提出一份新草案,將除去國際單位制中科學家所假設的數值,全部改由自然界的基礎常數來訂定,一但通過後,期盼讓整個世界的測量系統都將變得更加精確。
有關全球各種單位與國際單位制的演變由來,可以參考泛科學的《科學大爆炸》:
我們原本用的單位從哪裡來?
國際單位制(法文SystèmeInternationald’Unités,簡稱SI)可說是全世界測量系統的基礎,此制度最早源自於1799年法國大革命時期科學家所發展的「公制」,經過1960年第十一屆國際度量衡大會修改調整後,推薦給全球使用,再經過一次次更新,成為我們現在的國際單位制。
目前七大國際單位制當中,有六個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有一個單位可以用實際物體來表示,那就是「公斤」。
(不過在1960年以前,公尺也有一根實體棍子來代表喔!)
一公斤到底是什麼呢?一般人可能會直覺回答:「1000公克?」,但實際上能堂堂正正喊出「我就是童叟無欺的一公斤」的最高權威,是一塊放在法國巴黎近郊的國際標準局(BIPM)保險箱的標準砝碼「國際公斤原器(InternationalPrototypeoftheKilogram,簡稱IPK)」。
IPK是由90%鉑(platinum)及10%銥(iridium)打造,大小大概如高爾夫球的鉑合金直立圓柱體,平時放在真空封存的三層玻璃罩內。
全球還有許多IPK的複製品,作為各國自己校正單位的標準,例如台灣在1995年向BIPM購買的編號第78號「鉑銥公斤原器」,保存於在新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」中,每十年送回BIPM追溯一次。
還有另一件可以提到的原器複製品是自日治時期留下,現在收藏在高雄科學工藝博物館。
國際公斤原器的電腦示意圖。
圖/GregL,CCby3.0,wikimediacommons.
雖然巴黎的IPK號稱是正港的一公斤。
但即使選用不易膨脹和氧化的材質,收藏環境也受嚴密監控,IPK還是個會隨著時間逐漸發生變化的「凡物」,包含灰塵、濕氣或觸摸時的油汙都會影響它的質量。
事實上它可能已微量的發胖了,這讓科學家們有點尷尬啊,因為他們的研究結論常常是建立在永恆不變的單位上頭。
所以新單位會變得怎麼樣呢?
預計到了2018年第26屆國際度量衡大會,國際度量衡委員會的草案內容仍會維持「公尺(metre)、公斤(kilogram)、秒(second)、安培(ampere)、克耳文(Kelvin)、莫耳(mole)和燭光(candela)」七大單位,讓SI在不用大規模更動的情況下,確保當前測量方法的連續性。
其中變化最大的,當然是最後一個使用實體標準的「公斤」,因為科學界將放棄末代小金屬圓柱(IPK哭哭),改用普朗克常數定義。
普朗克常數用來描述電磁波能量和頻率之間的關係(普朗克-愛因斯坦關係式E=hν。
其中,E是能量,ν是頻率和h是普朗克常數)是科學中最重要的數字之一,但非常難測量。
物理學家們花了二十多年,尋求各種可斷定普朗克常數的方法,其中包含瓦特天平器(WattBalance)。
近期任職於美國國家標準與技術局(NIST)的物理學家史蘭明格(StephanSchlamminger)團隊宣布已取得初步成果:他們把已知質量的物體擺在瓦特天平器的一端,另一端則對線圈施加電流產生機械力,與物體因重力下拉的力達到平衡。
從電磁力算出普朗克常數的值後,再透過質能互換公式「E=mc2」求得質量,精準度可達3.4×10-8。
該團隊預計2017年7月會再次公布他們獨立測量的結果。
等到2018年國際度量衡大會從各團隊測量出的數值中,正式挑出一個最準確的版本為最終值後,IPK就可以退休了。
美國國家標準技術研究所的瓦特天平。
圖片來源:RichardSteiner@wikipeda,byCC3.0
另一個測量電流的單位「安培」,目前定義為真空中,兩條無限長、無敵細,且相距一公尺的平行導線通過恆定電流時,兩者交互作用所產生某一程度的力,就是一安培。
但……無限長、無敵細的導線在現實中根本不存在啊,換掉換掉,改用可以真正被測量的基本電荷吧!克耳文和莫耳也將分別從水的三相點及相對原子質量,改由明確的波茲曼常數(Boltzmannconstant)和亞佛加厥常數(Avogadroconstant)來定義。
原本就以自然常數定義的公尺、秒和燭光,只需要根據新草案調整一下當前的數值。
完整的單位制度變化可見下圖:
2018年新單位制通過後,國際單位制的定義將從左圖改為右圖。
圖/EmilioPisanty@Wikipedia
「說了這麼多,所以對我會造成什麼影響嗎?2018年過後,我的身高可以從表定160公分灌水成180公分,或是體重(名義上)瞬間少十公斤嗎?」
呃……確實不會。
但對科學界來說,準確的單位制度可是物理學研究的基礎,而新單位制度也是建立於最新的科學研究上,包含量子機械法則及相對論等。
新制度上路後,只要沒有突然發現什麼新的自然常數,研究人員就能放心使用好一陣子啦。
參考資料:
FIONAMACDONALD,Ourunitsofmeasurementarefinallyabouttogetanupgrade.ScienceAlert.[3NOV2016]
ProposedredefinitionofSIbaseunits
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數學絕對是科學上非常重要的工具,當科學面對重大疑難雜症時,往往確實是由數學來解決問題。
歷史上有很多例子,可以用來說明科學家遇到科學問題時,發明數學工具來解決問題。
例如我們知道,一個物體如果維持每秒鐘30公尺的速度前進,那麼100秒之後,它會前進3,000公尺。
但如果這個物體的速度是會穩定減少,平均每一秒鐘還會穩定的減少每秒10公尺,也就是一秒後它的速度就變成20m/s、兩秒之後變成10m/s,以此類推。
這樣的話,我們知道它3秒之後會停下來,但你能知道它前進的距離總共有多少嗎?
為了解決這個問題,牛頓發明「微積分」這個數學工具。
現代微積分是由牛頓與萊布尼茲所發展而成的重要工具。
圖/Pixabay
先有雞還是先有蛋?先有科學還是先有數學?
物理學家為了要處理像是「位移」、「力」、「速度」這類問題,也發明「向量」這樣的數學工具來幫助物理學家解決問題。
這樣看起來,好像應該說「科學是數學之母」才對?
也有的時候,科學家為了精準簡潔的描述自然界規則,運用數學語言來作為描述的方式。
例如我們知道,兩物體之間永遠存在一個互相吸引的萬有引力,萬有引力的大小和兩物體的質量大小乘積成正比,和兩物體的距離平方成反比。
這麼一大段落落長的描述,如果用數學符號來表達,就會變成:
\(F=G\frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}\)
這樣的表達既簡潔又精準,當然是很不錯的描述方式,很受科學人的喜愛。
數學是科學中重要的工具,可以幫助科學解決很多問題。
在學習科學或發展科學的某些階段,數學更是不可或缺的工具,沒有數學便跨越不了某些門檻。
即便如此,數學好像也說不上是「科學之母」。
科學始於好奇心,每個孩子都是天生的科學家
我總覺得「科學之母」的意思,應該是科學的產生者。
那什麼才是科學的產生者?我認為是「觀察」。
觀察與好奇心促成科學的動機觀察的意思不是觀看,不是說用眼睛看到些什麼東西就是觀察。
觀察是會產生疑問的,會勾起你的好奇心。
看到一些「怪怪的」、好像跟平常不一樣的事物時,你可能會留心的多看個兩眼,腦袋裡想著:「昨天跟今天看到的太陽升起位置,是不是有什麼不一樣?」、「上次釀的酒跟這一次喝起來好像不一樣?」
察覺這些差異之後,你的好奇心可能就會接手,開始思考如何解釋這樣的差異。
如果你認真一點的話,可能會對現象進行系統化的描述記錄,將那些雜亂的事物根據相同處、相異處進行比較並分類,有時候或許能從中發現一些現象的規律性或者因果性。
例如我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性,發現每天海水高度變化跟月亮的位置有關:滿月的那天,當潮水最高的時候就是在正中午。
我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性。
圖/Pexels
進而發現不同的月相和漲退潮的時間,有某種特定的關係。
等蒐集到夠多的事實之後,很可能就可以發現規律性。
察覺這些規律性、相同處、相異處之後,有些人會興起強烈的好奇心,想要一探這些現象背後的完整詳細規則,或是探詢造成這些規則背後的原因,這時,科學的動機就出現了。
自文明誕生以來,有很長一段時間,人們只是用神話的方式來解釋自然,直到近幾百年才發展出有系統的科學方法,以極端嚴謹的態度來檢視心中的答案。
雖然科學是近代產物,但產生科學的動機卻是每個人都天生具備的,那就是「觀察」和「好奇心」。
每個孩子天生就很愛問問題,這也是為什麼許多科學家會說:「每個孩子都是天生的科學家」,不過這句話的下一句是:「直到XX歲為止」。
為什麼等到我們長大以後,就不會提問了呢?
身為老師的我們都曾發現,學生到了國中之後,似乎就變得很不愛問問題。
我相信造成這個結果的原因有很多,例如我們的科學教材教法往往是去情境化、去脈絡化的;我們的考題有許多是脫離現實的;我們的課程也經常不是以學生親身觀察而產生的探究問題作為出發點。
此外,大量意義不明的數學練習,恐怕也是重要的原因之一。
天生的科學家們為什麼長大後就不發問了呢?造成這個結果的原因有很多。
圖/Pexels
既然數學題目難以避免,我們該怎麼讓這些練習對學生而言,變得更有意義、更具有科學教育的價值呢?
數學在科學課堂上扮演的角色在科學的學習中,數學作為一種工具,其存在是必要且適當的。
但我們應該注意的是:工具的使用必有其特定的使用動機和情境。
如何讓學生知道自己在幹嘛?以燃素說、氧化說為例
例如拉瓦節(AntoineLavoisier)並不是一開始就在實驗室裡面計算數學,因而發現燃燒的本質是物質的氧化。
他是因為用定性分析方式無法成功反駁當時主流的「燃素說」,才進一步使用量化實驗、測量精準的數據,得到足以駁倒「燃素說」的證據。
讓學生具備動機和情境後,在適當的難度下,引進必要的數學就會覺得理所當然。
如果學生知道自己正在處理什麼問題,也知道為什麼需要運用這個工具的情況下,那麼在自然科裡面學習數學是沒有問題的。
需要透過有設計的教學,才可以激發學生思考、知道自己在處理什麼問題。
圖/Pixabay
於是我在燃燒的單元中,設計了讓學生閱讀並比較史塔爾(GeorgErnstStahl)提出的「燃素說」和拉瓦節的「氧化說」。
兩個學說都是在描述學生熟悉的燃燒現象,但卻有著截然不同的解釋方式。
史塔爾的「燃素說」認為:
因為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來與空氣結合,從而發光發熱,這就是火。
並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。
但有些物質,像是金屬,它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿燃素。
燃素與金屬分離後,空出來的容器會被空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。
而且物質在加熱時,燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且愈好的空氣吸收燃素的效果愈好。
拉瓦節的「氧化說」則主張:
物質燃燒時,不是物質內部的燃素釋放出來,而是物質和空氣中的氧氣結合。
結合的過程中會發光發熱。
結合之後的物質,稱為氧化物。
氧化物如果是氣體或者變成飛灰離開了物體本身,質量就會變小,就像紙張燃燒一樣。
如果物質氧化物和物質是依附在一起的,那就會看到質量變重,就像金屬的燃燒一樣。
你會發現兩者的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,如果只是觀察各種燃燒的現象,並不足以判別誰說的才對。
這時,用量化方式精準測量燃燒過程中各階段物質的質量變化,就變成判別是非的關鍵所在。
量化實驗當然是比定性實驗更加困難,但當我們對於某個事件產生興趣時,這些困難就會瞬間變成讓人興致高昂、願意去挑戰和克服的關卡。
「燃素說」和「氧化說」的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,這時便需要科學的力量。
圖/Pexels
數學的工具也是如此,所以我在運動學的課程設計中,利用交通安全宣導影片中常出現的「未維持安全距離」下產生的交通事故,讓學生感受到危險,並且產生「安全距離是怎麼計算出來的」的疑惑,激發學生解決問題的動機。
動機產生之後,我們就可以把待解問題轉化為比較嚴謹的文字敘述:「車子以108km/hr的速度行駛在高速公路上,因前方發生事故而緊急煞車。
若車子能在X秒鐘之內停下來,我們的煞車距離有多少?」這就變成大家熟悉的考題了。
此時不管是使用公式也好,圖形法也好,學習起來就會比較自然而然、順理成章。
在課堂上營造動機與脈絡,讓解決這些數學問題變成必要的過程,就是我們在課程設計上可以努力的方向。
——本文摘自《教出科學探究力》,2021年8月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。
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狐禪
2022/08/12
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數學只是把對自然現象的描述,用有嚴格邏輯結構的語言翻譯出來。
所以最根本的起源還是觀察現象,看出不同因素間的關係後,再做翻譯。
親子天下
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李鍾旻
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在亞洲有一種蜘蛛,一直以來很多人都說,牠身上的圖案像極了知名洋芋片品牌「品客」(Pringles)的招牌標誌——圓臉留著兩撇八字鬍的大叔。
什麼蜘蛛長得這麼特別?牠叫作「黑綠鬼蛛」(Bijoaraneusmitificus;英文俗名為KidneyGardenSpider)[註]。
這種蜘蛛體長約在0.5~1公分上下,渾圓的腹部背面呈白色調,常可見近似「V字」的深色條紋,以及兩個凹陷的深色小圓點,構成一張類似長著眼睛與鬍子人臉,顯得相當逗趣。
黑綠鬼蛛腹部背面的圖案,有如一張人臉。
圖/作者提供
官方發起活動:千人連署改名「品客蜘蛛」
蜘蛛與商標形象「撞臉」,意外成為非官方吉祥物,這檔事傳來傳去,終於有一天,品客這家來自美國的品牌決定「認真」看待這件事。
2022年6月底,品客的官方網站上發布了一項前所未有的連署活動:為蜘蛛請願改名。
據《CNN》報導,品客美國經銷負責人詹金斯(MauricioJenkins)表示:「此前我們不曉得,原來有個生物一直默默散播對品客的愛。
」
品客洋芋片罐子上的招牌圖案。
圖/作者提供
這項活動的主旨,就是希望能讓這種蜘蛛的英文俗名正式更改為「品客蜘蛛」(PringlesSpider),同時獲得國際上蛛形綱相關的學術研究團體認可。
官網上也做出承諾,如果在當年10月31日前至少有任一個研究團體表示認同接納「品客蜘蛛」之名,作為回報,參與這項連署的前1500名民眾將可以免費獲得一罐品客洋芋片。
在同年8月初時,已經有超過7300人響應參與連署。
不僅如此,品客官網還同步舉辦了蜘蛛的「領養活動」,大眾可以在他們的網站上領養虛擬的黑綠鬼蛛,並下載「領養證書」。
當然,全球各地的媒體紛紛報導了品客洋芋片為蜘蛛連署改名的消息。
有些國內新聞報導也指出,身為主角的黑綠鬼蛛「分布在東南亞國家,例如泰國、新加坡和越南等」。
看來,有些人顯然忽略了牠近在眼前的事實呢!
我們不用虛擬認養,台灣就有原生的黑綠鬼蛛
事實上這種蜘蛛可見於亞洲多個國家,在台灣也有分布。
台灣的低海拔環境,從北到南都有牠的蹤跡,一些郊山、都會區的公園便有機會找到牠。
所以身在台灣的我們,哪裡需要透過網路去領養什麼虛擬的個體?如果想看這種蜘蛛,還不如到戶外走走吧!
公園裡的黑綠鬼蛛網,表面碰巧黏了一些行道樹木棉花的棉絮。
圖/作者提供
黑綠鬼蛛通常會在樹木間造網,同時在網附近的枝葉上另造一個供自身躲藏的薄紗狀巢,網與巢之間有細絲線相連接。
通常,依靠結網捕捉獵物的蜘蛛視力普遍不佳,黑綠鬼蛛也不例外,不過牠們對於震動相當敏感。
一旦有昆蟲等獵物撞上其所結的網,察覺到震動的黑綠鬼蛛便會從巢裡衝出,將獵物拖進巢內,再慢慢取食。
黑綠鬼蛛在樹木葉片上所構築的薄紗狀巢。
圖/作者提供
筆者便曾在台北市羅斯福路上的公園見過這黑綠鬼蛛。
而且,與一些常見的中小型蜘蛛相比,黑綠鬼蛛分泌製造出的絲,手指摸起來的觸感真是讓人感到意外的堅韌且黏。
生物學名用嚴謹的方式替生物命名
其實,關於幫蜘蛛改名這件事,或許製造歡樂、替品牌形象宣傳,才是活動的主要用意。
畢竟,所謂「約定俗成」,不管是英文還是中文,俗名本身便是民間所流傳的非正式名稱。
在生物學上,拉丁文所組成的「生物學名」,才是不能隨意更改,而是需要遵守嚴格學術規範的國際正式名稱。
黑綠鬼蛛的腹部末端有大塊黑斑及放射狀的深色細條紋。
圖/作者提供
黑綠鬼蛛不可怕,甚至還有點可愛
話說,有些人看到可愛的黑綠鬼蛛,內心仍然會有點怕怕的吧?確實,許多人對蜘蛛的印象就是「有毒」、「恐怖」,可是人們往往過度高估了蜘蛛的危險性。
事實上,蜘蛛的口器都具有用來攻擊獵物的毒牙,當咬住獵物時,毒牙能注射蛋白質毒液讓對方失去行動力或死亡。
不過我們並不需要對這類節肢動物過度害怕,因為大部分蜘蛛的毒液對人類幾乎不會造成影響,在未遭受人為騷擾的情況下,蜘蛛更不會主動去攻擊人。
當然,黑綠鬼蛛本身便不會對人體造成威脅,屬於無害的動物。
黑綠鬼蛛的頭胸部可見8個黑色的單眼。
圖/作者提供
台灣目前已知的蜘蛛種類至少超過了700種,不光是外觀滑稽有趣的「品客蜘蛛」,本土蜘蛛中還有許多外觀特殊、引人注目的種類。
不管是住家周圍,還是山林野地,有機會不妨多觀察看看身邊有哪些特殊的蜘蛛吧!附帶一提,2006年的美國電影《夏綠蒂的網》(Charlotte’sWeb),劇中身為主角的蜘蛛夏綠蒂,在現實中是俗稱「穀倉蜘蛛」(Araneuscavaticus;英文俗名為BarnSpider)的一種北美洲常見蜘蛛,牠與本文介紹的黑綠鬼蛛同為金蛛科的種類。
備註
黑綠鬼蛛以往被歸類在金蛛科鬼蛛屬(Araneus),然而2021年分類學者主張將之移入媛圓蛛屬(Bijoaraneus),本文仍使用其在台灣較普遍的中文俗名「黑綠鬼蛛」。
本種亦可稱「黑斑媛圓蛛」、「黑綠圓蛛」,在中國則通常稱其為「黑斑園蛛」。
幾種生活在台灣低海拔山區,外表特別的金蛛科蜘蛛。
(左)尖鼻蛛(Poltyssp.)、(右上)紅鳥糞蛛(Cyrtarachneyunoharuensis)、(右下)對馬瓢蛛(Paraplectanatsushimensis)。
圖/作者提供
參考資料
PringleswantsaspidernamedafteritMAKETHEPRINGLES®SPIDEROFFICIAL陳世煌。
2001。
臺灣常見蜘蛛圖鑑。
行政院農業委員會。
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。
著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。
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搖滾響起來,人就嗨起來──音樂關鍵字|EP8:搖滾夢想
音樂關鍵字UnlockingMusic
・2022/07/22
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國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
我們日常中無處不在的音樂,除了療癒身心,更可以透過聲音的特性,找出藏在背後的科學小知識!由客家電視製作的《音樂關鍵字》系列動畫因此誕生,是臺灣首部原創音樂科普動畫劇集。
以校園生活為背景,透過生動幽默、溫馨感人的故事劇情,運用3D動畫串起聲音與音樂的物理學、心理學、生理學,並量身訂做原創客語歌曲。
讓音樂成為你生活中,最浪漫的科學!
音樂關鍵字:泛音、雜質、搖滾樂
嗨起來!年輕就是要搖滾、要反叛!
舞台上,電吉他手激動地彈著吉他,汗如雨下,整個會場轟耳欲聾,聽眾們沈溺其中,這音樂真是太爽了啦。
沒錯,搖滾樂的暢快淋漓,完全背離穩定純淨的美聲路線,充滿爆發力的搖滾樂,追求的是嘈雜的渲染力。
而嘈雜的渲染力從哪裡來?
為了達到更刺激、更有渲染力的效果,電吉他手們除了特別練就有力度感的同音推弦等技巧,也會加上效果器的輔助才能達到嘈雜效果。
這背後的原理得從「泛音」說起。
最終章,讓勇於追夢的阿棋和我們細細說明。
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音樂關鍵字UnlockingMusic
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生活裡無處不在的聲音,其實是最浪漫的科學—換個方式「尞/聊」音樂。
提到音樂,多數人總以為那是右腦的事,是抽象的知覺、感性的領悟,但其實音樂也有它很左腦、很理性、很科學的一面,生活裡無處不在的聲音,其實是最浪漫的科學。
https://www.instagram.com/unlockingmusic2022/https://hakkatvmar100.wixsite.com/unlockingmusic
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