基础物理课本绪论.docx

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基础物理课本绪论

　绪　论

1-1物理学简介

1-2物理量的单位

本章教学理念

　　许多重大应用技术都是建立在物理学研究的成果上。

尤其是二十世纪物理学的百年成果﹐给现代高科技的研究﹑开发与运用﹐提供了取之不尽的源泉与扎实的基础。

因此﹐本章的重点是引导学生对物理学的兴趣﹐进而为他们开启物理知识的大门。

物理学之发展可追溯至两千五百多年前的西方自然哲学，其主要内容与近代科学各个分支息息相关。

从对大自然现象的描述，迈入到数量的分析，是物理学飞跃进步的主要关键！

1-1教学理念

　　简介物理学探讨的方向及其涵盖的范畴。

可藉由某几位关键人物的贡献来说明物理是实验与理论相辅相成的学问﹐并明了物理学在整个科学领域中所扮演的重要角色。

1-1　物理学简介

一﹑物理学的重要性﹑探讨方向及涵盖范围

　　自然科学所探讨的对象是自然界中的万事万物﹐它是今日人类知识重要的一环﹐也是一切应用科学（如工程﹑医学）的基础。

在自然科学的各个主要学门中﹐相对于研究生命现象的生物学﹐和研究元素及化合物之间的合成与分解过程的化学﹐物理学所探讨的主要是在无生命物质世界中﹐各种不涉及化学反应的自然现象。

　　英国哲学家培根（FrancisBacon﹐1561～1626）曾说“知识即力量”﹐对自然界规律的理解﹐使人类可以自在地适应自然环境。

更进一步地﹐人类还利用科学的知识﹐发明了各式各样的机械和工具﹐使生活更为舒适便利。

今天我们在日常生活中所使用的科技产品（图1-1）﹐其设计及生产都需要利用物理的知识。

图1-1　科技产品的设计及生产都需要利用到物理上的知识（起火用具的演进）

　　了解物质的结构与宇宙的变化﹐是物理学探讨的基本方向。

整个自然现象大至天文宇宙﹐小至原子内部﹐都是物理学探讨的范围﹐且由于对象的不同﹐而形成以下不同的领域范畴：

二﹑物理学的起源

　　公元前六世纪左右﹐西方的一位思想家泰利斯（Thales﹐约624～546B.C.﹐希腊人）第一次说出：

世界是由水所造成

认为周遭的自然可以借着一些概念与合理的论证来描述和了解。

　　经过差不多两百多年的讨论﹐最后由亚里士多德（Aristotle﹐384～322B.C.﹐希腊人）（图1-2）集其大成﹐主张万物乃由“水﹑火﹑土﹑气”四种基本物质所形成﹐分别代表“干﹑湿﹑冷﹑热”等合成性质（图1-3）。

在天文学上﹐托勒密（Ptolemy﹐约85～165﹐希腊人）使用亚里士多德以地球为宇宙中心的观点﹐成功地描述和预测行星运转或逆行的轨迹（图1-4）。

直到今日﹐我们依然可使用托勒密的地心模型﹐来诠释所观测的火星逆行路径（图1-5）。

这一直都是亚里士多德与托勒密学说一大成功之处。

图1-2　亚里士多德

图1-3　希腊人认为物质是由四个基本元素组成

　图1-4　火星逆行图（10至12月火星行进　　　　　　　图1-5　近代火星逆行的轨迹与托勒密预测

　方向与其他时段相反）　　　　　　　　　　　　　　　　的轨迹相当吻合

三﹑科学革命与机械论

　　西方受到十五﹑六世纪文艺复兴的熏陶和影响﹐强调个人风格与想象力的发挥。

天文学家哥白尼（NicolausCopernicus﹐1473～1543﹐波兰人）（图1-6）开始质疑托勒密﹐认为他的理论虽然与观察符合﹐但他塞入了太多人为的﹑外来的“偏心点﹑大圆（均轮）﹑小圆（本轮）”等东西﹐而丧失了均匀性﹑对称性﹑简单性与完美性。

于是提出了更为和谐﹑更具对称﹐以太阳为宇宙中心的行星理论（图1-7）。

哥白尼认为：

图1-6　哥白尼

图1-7　哥白尼日心模型（

太阳（Sun）

月球（Moon））

整个宇宙是由数所构成的。

凡数学上为真的﹐在真实世界与天文学上﹐亦必为真。

这种完全以数学的完美与简单性﹐作为天文学的基础与依据﹐改变了西方一千多年来对自然的描述方式与思考方法﹐而让人们生活在不同的思考世界里﹐此种转变就造成了科学革命。

　　五十年后﹐伽利略（GalileoGalilei﹐1564～1642﹐意大利人）接受了哥白尼所提倡的数学观﹐首先使用全新的科学方法﹐来探讨物体的运动（图1-8）。

其方法主要是：

图1-8　伽利略著作─两门新科学的对话

1.数学论证﹑提出假设。

（参考第3章章末之“科学史”）

2.设计实验﹑检验原理。

　　伽利略设计出精致的斜面实验（图1-9）﹐结果显示球体下滑的距离﹐的确与所经时间的平方成正比﹐如图1-10（B）﹐完全支持了他的假设和推论。

图1-9　斜面实验

图1-10　（A）伽利略手稿第一行为时间的平方﹐第二行为时间﹐第三行为斜面上的下滑距离（时间与距离单位未显示）。

（B）手稿的详细数值。

　　伽利略开启并奠定了物理学的新面貌。

最后﹐他对如何认识大自然﹐向我们做了以下的提示：

“自然写在宇宙这本大书上﹐而这本书是用数学语言写成的。

”

　　当亚里士多德的思想面临崩解之际﹐身为哲学家与数学家的笛卡儿（Rene′Descartes﹐1596～1650﹐法国人）认为物质世界的探讨﹐应该从最无疑义﹑最无法驳斥的基本事实出发﹐那就是：

1.任何物质均是由占有空间的质点所组成。

2.自然现象可由物质质点的位置变化─运动来描述。

　　他尝试仅利用此两概念：

质点与运动﹐精巧地诠释了许多自然现象﹐包括磁铁的排斥与吸引﹑光的反射与折射。

后继者波以耳（RobertBoyle﹐1627～1691﹐英国人）续用此法探讨空气﹐认为空气是一种可呈现出弹性的物质﹐故会对器壁提供压力﹐因此提出了密闭容器内气体体积与压力的定量关系。

笛卡儿称这种仅使用质点与运动两概念来探讨物质世界的方法为机械论（mechanisms）观点。

　　从十七世纪初﹐西方就是利用此两种方法：

伽利略─数　学

笛卡儿─机械论

开创了物理学全新的领域。

然而此两种方法彼此并不容易协调搭配﹐整合在一起。

一直到1687年﹐牛顿（SirIsaacNewton﹐1643～1727﹐英国人）在他的巨著自然哲学的数学原理指出：

1.质点的运动与所受的外界影响─作用或力有关。

2.任意两物体之间﹐普遍存在有一作用力﹐并可以数学形式表示出。

　　利用这些原则﹐他完美地统合了数学方法与机械论﹐并认为月亮绕地球运转与苹果落地﹐均出自同一原因﹐受到同一力量﹐而将天文学与落体运动圆满地结合在一起。

牛顿这种划时代的贡献﹐让物理学的成功达到了一个颠峰﹐被认为是古典物理史上最伟大的科学家（图1-11）。

图1-11　古典物理开创人物示意图

四﹑电与磁的统合及能量的转换

　　虽然摩擦生电与磁石吸铁的现象﹐在公元前五世纪与中世纪时均已被发现﹐但直到1800年伏打（AlessandroVolta﹐1745～1827﹐意大利人）发明电池﹐可提供稳定电流后﹐电学才开始迅速发展。

随即于1820年厄斯特（HansOersted﹐1777～1851﹐丹麦人）在其实验室中偶然发现：

通过电流的导线可影响附近的磁针（图1-12）﹐亦即可生磁场。

图1-12　厄斯特实验证实通过电流的导线会使磁针偏转

　　法拉第（MichaelFaraday﹐1791～1867﹐英国人）对厄斯特所发现电流可生磁场的现象﹐提出了反向的质疑：

磁场会不会产生电场？

他后来设计出实验﹐证实的确可以﹐但必须是磁场随时间而变化才行。

因此过去被认为彼此分开的电和磁之现象﹐就被拉法第加以统一﹐证明它们是来自于同一个且较普遍的概念─电磁（electromagnetism）的不同表现。

　　马克士威（JamesMaxwell﹐1831～1879﹐英国人）将法拉第与前人有关电与磁的实验结果转换成数学﹐写出了四个电场与磁场关系的方程式﹐预测了电磁波的存在﹐且认为光即为一种电磁波﹐而将电﹑磁和光统合了起来。

　　从1840年开始﹐焦耳（JamesJoule﹐1818～1889﹐英国人）（图1-13）与亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz﹐1821～1894﹐德国人）相继证实﹐热不是一种物质﹐而是一种可以使分子运动状态改变的物理量﹐功与热可以相互转换﹐热因此可视为是一种能量。

图1-13　热与功可以互相转换的建立者─焦耳

　　著名的科学家克耳文勋爵（LordKelvin﹐1824～1907﹐英国人）于1854年在英国科学年会的演讲时指出：

焦耳对热量转变为功的发现﹐已“使物理学经历了一次自牛顿时期以来最重大的变革”。

自然界中不同型态的能量﹐可以互相转换是一项普遍的现象。

热可透过功﹐而与力学中的动能及位能建立起关系﹐并可加以定量计算.因此热与动能﹑位能相当﹐而统称为能量.之后﹐能量的概念逐渐发展起来﹐能量也成为奠定物理学基石最基础的概念。

在二十世纪前古典物理学中的所有领域﹐就在能量这个概念下﹐彼此紧密地统合在一起。

五﹑近代物理

　　克耳文在1900年的一场演讲中指出﹐当时的物理理论体系看似相当完整﹐但明显的存在两大难题﹐以当时的理论都无法解释。

其一是﹐古典物理认为在太空中存在着没有质量的以太（ether）介质﹐因此当地球在公转靠近太阳与远离太阳时﹐所测得之光速应有所不同﹐但实验却测得光速恒为定值。

其二是﹐黑体所辐射出的光谱强度随波长变化的实验。

　　同一年底普朗克（MaxPlanck﹐1858～1947﹐德国人）提出了震憾物理界的新观念─量子论﹐成功地解决了黑体辐射问题；而以太是否存在的实验﹐则由爱因斯坦（AlbertEinstein﹐1879～1955﹐德裔美国人）在1905年提出的相对论所阐明。

这两者构成了我们今天所说的近代物理（图1-14）。

图1-14　近代物理的两个主要内容及开创者

1-2教学理念

　　物理学的基础在于实验的观测﹐所有理论的发展都需通过实验的检定﹐因此基本物理量的测量与单位的规定﹐皆要有清楚的认识。

1-2　物理量的单位

　　物理是门实验的科学﹐实验则需测量许多物理量（可用数量来表示的物理概念）﹐因为一如克耳文所言：

“如果你能测量你所说的东西﹐并且能用数字来表示它﹐你便知道了你所研究对象的一些事情。

但是如果你不能测量它﹐你的知识将是模糊﹐且无法令人满意。

”

这些可被知道﹑被测量的物理量﹐都直接或间接与时间﹑空间和质量有关。

而大家对这些物理量所认定共同参考的标准值﹐则称为它们的单位。

一﹑时间的单位

　　任何具有周期性的现象﹐都可作为测量时间的标准。

时间的基本单位“秒”﹐为一个平均太阳日的86400分之一。

要求高度精确的国际科学研究者于1967年﹐以铯原子（Cs133）放出某一特定频率光波﹐所对应周期的9,192,631,770倍为1秒﹔2005年﹐美国国家标准技术局（NIST）所研制成的原子钟﹐其精密度可达六千万年才有1秒的误差（图1-15）。

　　以秒为单位所表示出一些不同的时间量﹐可参考图1-16。

图1-15　美国国家标准技术局最新研制出的原子钟﹐一年之误差约六千万分之一秒。

二﹑长度的单位

　　长度最初是以通过巴黎的子午线﹐自北极到赤道长度的千万分之一为1米（又称为米）。

自1983年国际间以永远不变的物理常数─光速着手﹐定义光于299,792,458分之一秒间﹐在真空中所行进的距离为1米。

　　图1-17列出一些以米为单位所表示出的不同长度量。

图1-16　以秒的数量级所表示的一些时间量

图1-17　以米的数量级所表示的一些长度量

三﹑质量的单位

　　十八世纪前﹐西方是以1升（或1立方公寸）的纯水质量为1千克﹐即

1千克＝1升纯水的质量

自1889年至今﹐国际皆认定：

以存放在巴黎国际度量衡标准局内﹐一个用铂铱合金制成﹐高度与直径皆为39毫米的实心圆柱体﹐作为质量1千克的标准原型。

所有其他法定复制质量1千克的参考原型﹐都需要与巴黎的标准原型比较（图1-18）。

图1-18　存放在巴黎国际度量衡标准局的国际质量标准原型

　　图1-19列出一些以千克为单位所表示出的不同质量大小。

图1-19　以千克的数量级所表示一些物体的质量

四﹑国际单位制

　　为使实验结果具一贯性及可复制性﹐有一标准的共通参考单位是很重要的。

1971年国际度量衡大会选定的国际单位制（internationalsystemofunits）﹐简称SI制﹐为全球科学工作者所普遍采用。

国际单位制有七个基本物理量﹐除了上述的时间﹑长度﹑质量外﹐再加上电学的电流﹑热学的温度﹑光学的发光强度及化学的物质数量﹐这些基本量的单位名称及符号称为基本单位﹐如表1-1。

表1-1　SI制基本单位

　　其他物理量称为导出量﹐其单位都可以由七个基本单位表示出来﹐称为导出单位﹐如动能的单位为千克．米2∕秒2或kg．m2∕s2。

　　为了更适当的反应出各种不同的尺度﹐可以在SI单位前加上一个前缀符号﹐代表不同的倍数或分数。

这些常用的前缀符号列在表1-2﹐如：

1µs ＝ 10－6s﹐1km ＝ 10 3m﹐1mA ＝ 10－3A。

表1-2　常用单位的辅助前缀

要点整理

重要概念

▓物理学的诞生：

公元前六世纪希腊人泰利斯认为周遭的自然﹐是可借着一些概念与合理的论证﹐来描述和了解﹐开启了物理学的探讨。

▓科学革命：

哥白尼以数学的完美与简单性﹐作为天文学的基础与依据﹐改变了西方一千多年来对自然的描述方式与思考方法﹐而让人们生活在不同的思考世界里﹐此种转变造成了科学的革命。

▓物理学的新风貌：

伽利略首先使用数学论证与设计实验结合之全新的科学方法﹐来探讨物体的运动。

▓机械论：

十七世纪法国人笛卡儿提出：

（1）任何物质均是由占有空间的质点所组成。

（2）自然现象可由物质质点的位置变化－运动来描述。

成为日后探讨物理学的重要方法。

▓古典物理的发展：

牛顿统合了数学方法与机械论﹐让物理学的成功达到了一个颠峰﹐被认为是古典物理学的集大成者。

▓电与磁的统一：

厄司特及法拉第统一了过去认为是分开的电和磁之现象﹐证明它们是单一更广义之概念－电磁的不同表现。

▓电磁与光的统一：

马克士威使用数学方法﹐预测了电磁波的存在﹐且认为光即为一种电磁波﹐而将电﹑磁和光统合了起来。

▓能量的转换：

焦耳透过实验﹐认为功与热可以相互转换﹐热因此可视为是一种能量。

自然界中不同形态的能量，可以互相转换是一项普遍的现象﹐能量也成为奠定物理学基石最基本的概念之一。

▓近代物理：

普朗克提出的量子论﹐解决了黑体辐射问题﹐而以太的实验﹐则由爱因斯坦提出的相对论所阐明。

量子论与相对论构成了我们今天所说的近代物理。

▓时间单位：

铯原子（Cs133）放出某一特定频率光波﹐所对应周期的9,192,631,770倍为1秒。

▓长度单位：

光于299,792,458分之一秒间﹐在真空中所行进的距离为1米。

▓质量单位：

存放在巴黎国际度量衡标准局内﹐一个用铂铱合金制成﹐高与直径皆为39毫米的实心圆柱体﹐作为质量1千克的标准原型。

▓国际单位系统：

国际单位制（简称SI制）﹐含有七个基本单位。

分析应用

▓物理学的研究领域：

了解物质的结构与宇宙的变化﹐是物理学探讨的基本方向﹐它大致可分为下列研究领域：

力学﹑热学﹑电磁学﹑光学与近代物理。

名词术语

物理学﹑天文学﹑古典物理﹑近代物理﹑SI制﹑科学革命﹑机械论

习题

1－1　物理学简介

（　）1.下列哪一位物理学家使用数学方法预测了电磁波的存在﹐而将电﹑磁与光统合起来？

　（A）伽利略　（B）牛顿　（C）法拉第　（D）焦耳　（E）马克士威。

（　）2.物理学中哪一个基本概念﹐可将力﹑热﹑光﹑电与磁的许多现象紧密地统合在一起？

　（A）温度　（B）质量　（C）动量　（D）能量　（E）力。

1－2　物理量的单位

（　）3.我们采取下列哪一种原子振动9﹐192﹐631﹐770次所经历的时间为1秒？

（A）铯　（B）钋　（C）氦　（D）氩　（E）氪。

（　）4.根据1米最原始的定义为通过巴黎的子午线﹐自地球北极到赤道间距离的千万分之一﹐由此可以推估地球的平均半径约为多少米？

（A）1.0×106　（B）6.4×106　（C）1.0×107　（D）6.4×107　（E）1.0×108。

（　）5.有一绿色光﹐其波长为555奈米﹐等于多少米？

（A）5.55×10－10　（B）5.55×10－9　（C）5.55×10－8　（D）5.55×10－7

（E）5.55×10－6。

（　）6.质量的基本单位定义为下列何者？

（A）1公斤标准原器的质量　（B）天平的砝码质量　（C）1升纯水质量　（D）1cc纯水质量　（E）重量为1公斤重的物体质量。

（　）7.下列何者为SI制的基本单位？

（A）秒　（B）公分　（C）平方米　（D）千克∕平方米　（E）牛顿。

（　）8.下列何者为SI制的导出量﹐而非基本量？

（A）时间　（B）质量　（C）电荷　（D）电流　（E）温度。

（　）9.凡是物理量必须同时包含何者？

（A）长度与单位　（B）长度与质量　（C）数字与单位　（D）数字与大小

（E）质量与单位。