May 4, 2025
Yi Heng Sung
This project uses the stories of historical scientists to highlight the essence of scientific inquiry—observation, reasoning, and experimentation—encouraging Taiwanese middle school students to view the world through a scientific lens. In this article, Galileo discovered that the volume of gas expands or contracts with temperature changes, and he applied this principle to invent an early version of the thermometer. Through this story, students not only learn the physical concept of thermal expansion, but also understand how scientific knowledge can be used to solve everyday problems.
In this article, Galileo discovered that the volume of gas expands or contracts with temperature changes, and he applied this principle to invent an early version of the thermometer. Through this story, students not only learn the physical concept of thermal expansion, but also understand how scientific knowledge can be used to solve everyday problems.
In this project, I conducted in-depth academic research and content development. By reviewing international journals on the history of science and reading original works by historical scientists, I reconstructed the intellectual context in which these discoveries or inventions were made. I focused on uncovering the scientists’ motivations and practical needs—an essential element that helps students connect with the human side of scientific inquiry.
I analyzed the full arc of each experiment, from the initial question and hypothesis, to the setup, process, and results. I also examined the long-term impact of these discoveries on modern society, helping students see science not merely as memorization or calculation, but as a way of understanding the world and solving real-life problems.
All materials were synthesized into a clear, engaging, and historically accurate article designed for scriptwriters to develop educational videos and for teachers to use as classroom reference.
This video about Galileo's invention of the thermometer allowed students to gain a deeper understanding of the principle of thermal expansion and contraction, while sparking their interest in science. The video successfully presented what seemed like a simple invention story in an engaging and interesting way, helping students not only understand the physical principle but also see how these principles apply in scientific discoveries and daily life.
The clarity and completeness of the content are highly appreciated, especially in understanding how Galileo used observation and experimentation to explain physical phenomena. It is precisely because of the high-quality data collection and meticulous historical context organization that students were able to understand the process of scientific discovery, rather than simply memorizing principles. This learning approach enabled students to grasp the core ideas of science, rather than just memorizing formulas and theorems.
Additionally, the video sparked lively discussions within the community, further promoting knowledge exchange among students and viewers. For example, one viewer mentioned in the comment section that some details were omitted in the video to make the content easier to understand. This point intrigued other viewers and sparked discussions about these omitted details, prompting more people to explore the finer points of the scientific history. Such discussions not only increased students' interest in scientific history but also helped them better understand the motivations and processes behind scientific discoveries.
These feedbacks demonstrate that the video not only enhanced students' understanding of scientific principles but also provided them with a deeper insight into the historical background and details of the scientific exploration process. Students learned not only about the physical principle of thermal expansion and contraction but also gained a broader understanding of the scientific method and the process of invention, making science more engaging and enjoyable.
Copyright: LIS 情境科學教材
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溫度的概念相當抽象，因為溫度只能感覺卻很無法肉眼看見，因此在 16 世紀溫度計尚未發明的歐洲，對於溫度的描述是主觀感覺的比較結果，並不是客觀測量出來的數值。例如，當時若要描述一個物品的溫度時，通常都是自己觸摸後透過自己的感覺判斷冷熱。但是人體的體溫不同時，即使觸碰到同一個物體，對於冷熱的感會也會不一樣。例如，一直待在溫暖室內的人摸到一個常溫的金屬鍋子時，會覺得有點冰冰的；但是對於剛剛才從雪地回來的人來說，即使是同一個金屬鍋子他可能也不覺得冰冰的，反而可能覺得有點溫暖。
伽利略 · 伽利萊 (Galileo Galilei, 1564 - 1642，文中簡稱伽利略)，1564 年出生於義大利比薩的八人家庭，為六人手足的大哥。他的父親雖然是名音樂家，但是時常對於權威抱持懷疑態度，伽利略從小耳濡目染，繼承了他父親的懷疑主義。1581 年，伽利略依照父親指示進入比薩大學就讀醫學，然而他對萬物都十分好奇，不只醫學，他在大學也學習了物理學。於 1592 年，伽利略於 Padua 大學擔任數學教授，但是由於他的多才，他在大學中也教授幾何學、機械與天文學。
圖│Justus Sustermans 於 1636 年繪製，72 歲的伽利略肖像
當時對於自然、科學的概念仍以亞里斯多德的理論為主流，認為冷與熱都是基礎性質並無法測量 ( 例如：四大基礎元素中，火是熱的和乾的，水是冷的和濕的 )，在亞里斯多德的理論中並沒有在熱能與溫度上繼續延伸討論，因此中古世紀的歐洲人還沒有"測量"溫度的想法，但是隨著醫學的進度，測量溫度的需求也慢慢出現。
在 Padua 大學任職期間，伽利略有了許多機會接觸新的事物，有一天他閱讀到醫師 Johannes Hasler 於 1578 年發表的著作《De Logistica Medica》，其中分享了他所製作的標準化體溫檢測表。Hasler 使用了古羅馬醫學家 Claudius Galen 將人類體溫分成 8 個等級的概念 ( 從冷到熱分別為 -4、-3、-2、-1、1、2、3、4 )，並結合病人居住的緯度製作出綜合性的診斷量表。雖然有了較標準化的量表，但是測量方式仍是透過處摸的方式，醫師以自己感覺到的溫度為判斷基準 ( 例如：醫師用手觸碰正常的人，再碰病人的身體來比較溫度是否異常 )。
圖│Johann Hasler 於 1578 年發表的綜合性的診斷量表
最左邊的一行為醫療量表，左邊數來第二行為使用 Galen 的體溫八等級 ( 這邊加入 0 為中間值變成九等級 )，中間兩行將九個等級再細分為共 27 等級，最右邊的兩行為患者居住緯度。
伽利略發現，目前這樣使用以觸診來參照正常體溫的測量方式，並不能準確的反映出實際的體溫，因為人類雖然是恆溫動物，但是實際上體溫受許多因素影響而隨時都在浮動在一定的範圍內，依據當自己體溫不同，碰到相同東西冷熱感受也會不同的原理，所以如果醫生用觸診的方式來測量體溫，可能會因為醫生本身體溫不同而有不同的結果，最後導致醫師無法準確測量出病人實際的體溫。
其實在遠在古希臘時期，科學家們就已經注意到了空氣的體積會因為溫度的升高而膨脹，並用此原理設計出許多裝置。古希臘科學家 Heron (10–70 BCE) 在他的著作《Pneumatica》就有提到空氣的體積會因溫度升高而膨脹的原理，並進一步運用此原理設計加熱後會自動開門的神殿大門等裝置。然而歐洲中古世紀時因為戰亂許多古籍遺失或損毀，直到16 世紀文藝復興時期，Heron 的著作才於 1575 年時首次翻譯成拉丁文出版，而這個觀測溫度改變裝置也相隔將近 1600 年終於再次回到歐洲學術圈。而由於 Heron 著作在歐洲的出版，讓伽利略得以拜讀 Heron 的書籍。
圖│Heron 利用氣體因溫度升高而膨脹的概念，所設計出來自動打開的神殿大門
伽利略聯想到在 Heron 的書籍中， Heron 藉由在容器中灌入空氣與水，觀察到空氣的體積會因為溫度升高而變大，因此他認為一直以來無法被客觀觀測的溫度變化，似乎能藉由這個現象來呈現。
於是伽利略認為，因為當空氣的溫度越高時，其體積也會越大，而溫度越低時，其體積則會越小。因此只要把 Heron 的實驗裝置加以改良成好測量的裝置，讓這個裝置可以容易放入人的口中測量的話，就可以透過觀察溫度計裡面氣體體積的變化來測量病人的體溫。當溫度計裡面的氣體體積越大，就代表病人的體溫越高，反之，當溫度計裡面的氣體體積越小，就代表病人的體溫越低。
圖│伽利略發明的溫度計 (thermoscope)
歷史小知識
除了伽利略之外，當時歐洲的科學家們也都因為這本書的啟發，紛紛熱衷投入於溫度計的開發。
在伽利略 16 世紀末首次發明溫度計 (thermoscope) 後 ( 精準來說是改良 Heron 的實驗裝置，並且是用來測量溫度的第一人 )，溫度終於可以被客觀的測量和比較。這個發明始於伽利略對萬物的好奇心，但也可能因為如此他對其他科學有同樣的熱情 ( 伽利略在同一時間也在研究單擺的擺動週期和擺動角度的關係，他也幾乎在同一時間開發出天文望遠鏡 )，因此伽利略對於溫度計的開發就到此為止，並沒有進一步的改良。
當時伽利略開發出來的溫度計除了無法非常精確測量溫度外，也沒有標示刻度所以無法有效的量化溫度的變化。但是伽利略在 Padua 大學的其中一位醫生同事 Santorio Santorii，他為了更精準地測量與比較患者的體溫，於是就在他改良的溫度計上加上了刻度，從此以後溫度終於可被量化 。
圖│Santorii 醫師改良並標上課度的溫度計
由於伽利略的溫度計仍有許多改良空間，後來許多科學家接續投入改良溫度計的工作，因此也出現了許多不同版本的溫度計。雖然這些新型溫度計每一個上面都有刻度，但是若不是使用同一種溫度計，測量出來的數據就無法交互比較。另外，以當時的製作技術，若要生產出完全一樣的溫度計的要價非常高，而且技術上也非常困難，因此當時即使在實驗中測量了溫度的變化，也無法和其他人的研究結果互相比較。為了促進科學研究的發展，英國皇家學會的 Robert Boyle 提出應該設立標準的溫標，透過決定兩個參考溫度 (fixed reference temperture) 當作標準溫標的高溫點和低溫點，並在兩點中間平均分成數等分，如此溫度可以被客觀的描述與觀察，各地的科學家即使使用不同的溫度計也能互相討論研究結果。因為每一個溫度計的長度、裡面裝的液體都不一樣，例如裝有酒精和裝水銀的溫度計測量即使同一個物體的溫度，在溫度計上顯示的數值也會不一樣。但是如果將兩個大家都相當熟悉的溫度來當標準的話，那麼在這中間的溫度就可以用比例來表示。例如將水的凝點與沸點當成兩個參考溫度，如果測量的溫度介於這兩個溫度的正中間，那麼在不同的溫度計上即使高度不同，也會顯示在兩個標準溫度的正中間。
圖│設定兩個標準溫度，即使使用不同儀器也可以互相比較測量結果
然而接著長達一世紀的時間，科學家們對於設定哪兩個溫度當成標準溫標的高溫和低溫參考點而爭論不休，例如：有人提倡將水的凝結點就是設為低溫點、水的沸點設為高溫點；也有人說雪的熔點應為低溫點、夏天最熱的氣溫則為高溫點；又或是分別將水的凝點和奶油的熔點設為低溫點和高溫點。我們目前日常生活中使用的標準溫標攝氏與華氏，都是在 18 世紀時首次提出的。1724 年，德國的科學家 Daniel Gabriel Fahrenheit 設置三個溫度當作參考溫度，分別是：0 度為當時知道最低溫的物品 ( 海鹽、冰和水的混和物 )、32 度為水的凝結點、96 度則是人體口溫及腋溫。雖然後來有在進行調整與修改，但是這就是現在常用的溫標之一，華氏溫標的初版。台灣常用的攝氏溫標是在 1742 年，由瑞典的科學家 Anders Celsius 發表。和我們目前使用的攝氏溫標相反，他剛開始是選擇一大氣壓力時水的沸點為 0 度，100 度為水的冰點，因為瑞典的氣溫長年都在冰點以下，為了避免使用過多負數所以將冰點設為 100 度。Celsius 死後，同為瑞典的科學家林奈將這個溫標反轉成 0 度為凝結點、100 度為沸點，成為我們現在用的攝氏溫標。
圖│Daniel Gabriel Fahrenheit 的水銀溫度計
圖│Anders Celsius 發明的溫度計
而溫度計的發明，使許多科學實驗與研究得以實現，例如 1622 年英國皇家學會的 Robert Boyle 發表的論文中，使用了改良過的溫度計 (Florentine thermometer) 進行理想氣體實驗中，進而提出鼎鼎大名的波以爾定律，伽利略發明的溫度計在推動熱力學的發展上扮演著重要的角色。另外，由於溫度得以客觀的測量、紀錄與比較，17 世紀開始了歐洲大陸史上第一次大規模的正式的氣候調查。文藝復興時期影響力龐大的義大利貴族麥地奇家族 (Medici) 於為了進行歐洲大規模的氣候調查，於 1654 年建立了 Medici Network。整個調查涵蓋了歐洲 13 個地區，由於麥地奇家族的龐大財力，他們得以使用了 26 支完全一模一樣的改良過的溫度計 (Florentine thermometer)，紀錄了從 1654 到 1670 歐洲的氣候變化。
伽利略對於萬物的好奇心促使他開發出測量溫度的工具，雖然初版的溫度計既不精準又無法紀錄，和我們現在使用的溫度計相差甚遠。然而這個由伽利略隨意開發出來的裝置，卻對未來科學的發展以及人們的日常生活發揮了巨大的影響，可能是他當年也預料不到的吧！
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