PHYSICS 普 通 物 理 Dr. Wei-I Lee 博 士 國 立 電 子 物 理 系 教 授
物 理 的 發 展 與 我 們 對 老 天 爺 的 興 趣 息 息 相 關 物 理 發 展 及 物 理 量 ( Physical Quantity ) 簡 介 Vincent Van Gogh 1889 星 空 Starry 交 通 Night 大 學
古 典 物 理 萌 芽 編 年 簡 史 2000 BC : 古 埃 及 採 用 365 日 年 曆 2000 BC 以 前 : 巴 比 倫 埃 及 印 度 中 國 古 文 明 萌 芽 及 建 立 巴 比 倫 已 經 建 立 了 重 量 及 長 度 的 標 準 單 位 埃 及, 巴 比 倫 及 中 國 已 開 始 觀 測 及 記 錄 天 象 文 藝 復 興 時 期 釋 迦 牟 尼 ~563-486 BC 孔 子 ~551-479 BC 墨 子 ~476-390 BC 柏 拉 圖 427-347 BC 亞 里 斯 多 德 384-322 BC 孟 子 371-289 BC 亞 歷 山 大 大 帝 征 服 巴 比 倫 330 BC 138 BC 張 騫 出 使 西 域 100 BC 托 勒 密 製 作 宇 宙 模 型 阿 基 米 得 ~287-212 BC 歐 幾 里 德 出 版 幾 何 原 理 295 BC 78-139 AD 張 衡 蔡 倫 發 明 造 紙 術 105 AD 穆 罕 默 德 ~570-632 AD 花 剌 子 密 ( Al Khawarizmi ) ( 發 明 阿 拉 伯 數 字 ) 780-850 AD 沈 括 ~1031-1095 AD 畢 昇 發 明 活 字 印 刷 術 1041-1048 AD 費 拔 那 契 ( Fibonacci ) ( 阿 拉 伯 數 字 引 入 歐 洲 ) 1170-1240 AD 中 國 人 廣 泛 使 用 算 盤 ~1200 AD 馬 可 波 羅 ~1254-1324 AD 谷 騰 堡 改 良 活 字 印 刷 術 ~1450 AD 哥 白 尼 發 表 地 動 論 1543 AD 伽 利 略 1564-1642 AD 布 魯 諾 在 羅 馬 被 火 刑 燒 死 1600 AD 科 卜 勒 提 出 行 星 運 動 三 定 律 1619 AD 伽 利 略 出 版 兩 個 世 界 的 對 話 1632 AD 出 版 兩 門 新 科 學 的 對 話 1636 AD 牛 頓 1642-17?? AD 牛 頓 出 版 原 理 1687 AD
古 文 明 在 哪 裡? 2000 BC : 古 埃 及 採 用 365 日 年 曆 2000 BC 以 前 : 巴 比 倫 埃 及 印 度 中 國 古 文 明 萌 芽 及 建 立 巴 比 倫 已 經 建 立 了 重 量 及 長 度 的 標 準 單 位 埃 及, 巴 比 倫 及 中 國 已 開 始 觀 測 及 記 錄 天 象 3500 BC 兩 河 流 域 出 現 奴 隸 制 小 國 3000 BC 統 一 的 古 埃 及 國 家 建 立 傳 說 中 中 國 的 炎 帝 及 黃 帝 時 期 2500 BC 印 度 河 流 域 出 現 奴 隸 制 城 邦 1800 BC 巴 比 倫 王 國 統 一 兩 河 流 域 ( 四 大 古 文 明 : 巴 比 倫, 埃 及, 印 度, 中 國 ) 歐 洲 並 沒 有 古 文 明 古 文 明 多 發 源 於 亞 洲
幼 發 拉 底 河 底 格 里 斯 河 ~ 330 BC 被 亞 歷 山 大 大 帝 征 服
what the great ziggurat 寶 塔 may have looked like over 4000 years ago 古 Babylon 城 的 想 像 圖
埃 及 最 偉 大 的 古 文 明 之 一 至 少 起 源 於 西 元 五 千 年 前 西 元 三 千 年 前 統 一 的 古 埃 及 國 家 建 立 擁 有 當 時 最 先 進 的 數 學 及 天 文 學
古 代 人 類 社 會 似 乎 都 經 過 狩 獵 遊 牧 農 耕 三 個 階 段 由 於 季 節 與 氣 候 的 掌 握 是 農 業 發 展 的 先 決 條 件, 而 季 節 氣 候 又 似 乎 與 天 象 有 密 切 的 關 聯, 因 此, 古 代 各 民 族 的 科 學, 常 是 天 文 最 先 發 展 仰 觀 天 象, 只 要 能 持 之 以 恆, 很 容 易 發 現 一 些 規 則 例 如, 北 極 星 似 乎 永 遠 不 動, 而 其 他 的 星, 除 了 少 數 例 外, 都 以 相 同 的 步 調, 繞 北 極 星 轉 所 謂 的 例 外 包 含 中 國 所 謂 的 七 曜 : 日 月 金 木 水 火 土 埃 及 日 月 在 天 上 繞 圓 周, 有 較 簡 單 的 規 律 金 木 水 火 土 五 大 行 星 之 運 行 則 較 複 雜, 有 忽 快 忽 慢, 忽 進 忽 退 之 現 象 由 天 象 的 觀 察, 很 自 然 地 引 起 對 整 個 宇 宙 的 推 想, 包 括 人 類 的 地 位, 神 祗 的 所 在 等 中 國 古 代 的 天 文 與 對 宇 宙 的 描 述, 可 以 說 是 領 先 全 世 界 的 西 方 一 直 要 到 十 六 世 紀 中 ( 中 國 明 末 ) 以 後, 方 才 趕 上
墨 子 : 墨 翟 ( ~476-390 BC ) 戰 國 時 魯 人 其 時 舊 封 建 社 會 秩 序 崩 壞, 思 想 自 由, 而 戰 爭 頻 仍 墨 翟 木 匠 出 身, 而 成 一 派 宗 主 其 學 生 稱 為 墨 者, 有 相 當 之 組 織, 以 勞 動 生 產 為 主 要 活 動 政 治 上 則 主 張 兼 愛 非 攻 其 最 著 名 之 事 蹟 是 與 公 輸 般 在 楚 王 之 前 比 試 攻 防 器 械, 以 阻 止 楚 伐 宋 ( 魯 迅 曾 據 以 作 短 篇 故 事 非 攻 ) 日 本 人 也 研 究 墨 子
墨 子 與 墨 經 漢 志 墨 子 書 七 十 一 篇, 現 存 五 十 三 篇 ( 孫 詒 讓 墨 子 閒 詁 ), 其 中 六 篇 ( 經 上 經 下 經 說 上 經 說 下 大 取 小 取 ) 稱 為 墨 經 這 幾 篇, 據 說 是 墨 子 的 著 作 但 可 能 有 傳 抄 混 訛 之 處, 很 難 看 懂, 也 不 易 有 很 明 白 的 解 釋 但 其 中 已 經 注 意 到 了 一 些 物 理 與 幾 何 上 的 重 要 命 題, 並 描 述 了 很 多 的 力 學 知 識 與 光 學 現 象 : 力, 形 之 所 以 奮 也 ( 經 上 ) 其 義 可 能 是 力 是 物 体 運 動 的 原 因 本 短 標 長, 兩 加 焉, 重 相 若, 則 標 必 下, 標 得 權 也 ( 經 說 下 ) 其 義 可 能 是 槓 桿 的 長 短 兩 臂, 如 各 加 以 同 樣 的 重 量, 則 長 臂 下 垂 芝 城 姚 奎 排 印 的 铜 活 字 本 墨 子 書 墨 經 中 也 有 描 述 投 影 針 孔 呈 像 平 面 鏡 凸 面 鏡 及 凹 面 鏡 等 現 象 ( 在 戰 國 諸 子 中, 墨 子 或 許 是 惟 一 在 這 方 面 有 所 闡 述 的 )
School of Athens by Raphael (1483 1520 ) in Vatican, Rome
Aristotle, 384-322 BC 柏 拉 圖 的 學 生 Socrates 蘇 格 拉 底 ( ~ 496-399 BC ) 柏 拉 圖 ( ~ 427-347 BC ) 亞 里 斯 多 德 亞 歷 山 大 大 帝 的 老 師 著 有 Physics On the Heavens 等 多 部 書 籍 亞 里 斯 多 德 : 我 愛 我 的 老 師 但 是 我 更 愛 真 理 魏 氏 大 辭 典 ( Webster s Dictionary ) : Platonist : a person characterized by idealistic or visionary thinking Aristotelian : a person characterized by empirical or practical thinking
亞 歷 山 大 大 帝, Alexander the Great 在 位 13 年, 建 立 了 橫 跨 歐 亞 非 之 大 帝 國 將 埃 及 阿 拉 伯 地 區 及 西 亞 的 知 識 引 入 歐 洲 在 埃 及 尼 羅 河 口 建 立 了 亞 歷 山 卓 城 ( Alexandria ) 及 圖 書 館
亞 里 斯 多 德 的 天 文 及 運 動 概 念 地 球 中 心 說 地 球 是 靜 止 的 ( stasis belongs on earth ) 天 域 是 完 美 的, 是 持 續 永 恆 運 動 的 ( motion belongs in the heavens ) 以 自 我 為 中 心 的 同 心 圓 世 界 觀 由 於 似 乎 與 天 象 觀 察 一 致, 又 與 宗 教 教 義 吻 合, 故 被 廣 泛 接 受 了 近 二 千 年 ( 直 到 文 藝 復 興 時 代 )
340 BC 亞 里 斯 多 德 推 論 地 球 為 一 圓 球, 而 非 平 面
亞 里 斯 多 德 的 天 文 及 運 動 概 念 地 球 是 靜 止 的 地 球 上 的 物 體 都 趨 向 於 靜 止 ( stasis belongs on Earth ) 要 有 額 外 的 作 用, 物 體 才 會 運 動 ( 乙 太? ) 此 一 觀 念 也 被 廣 泛 接 受 了 近 二 千 年
伊 比 鳩 魯 阿 波 羅 亞 歷 山 大 柏 拉 圖 及 帝 歐 跟 尼 歐 幾 里 德 托 勒 密 Epicurus 必 大 個 拉 屎 賀 拉 克 里 特 亞 里 斯 多 德 Diogenes 密 羅 娜 Pythagoras Heraclitus Minerva (580-500 BC) 拉 菲 爾
歐 幾 里 德, 幾 何 學 之 父 於 埃 及 亞 歷 山 卓 城 ( Alexandria ) 教 授 數 學 幾 何 原 本 Elements of Geometry, 至 今 仍 是 演 繹 系 統 ( 由 少 數 之 公 理 開 始, 推 理 而 得 到 一 系 列 之 定 理 ) 的 標 準 教 材 羅 素 稱 揚 幾 何 原 本 為 少 數 的 偉 大 著 作 之 一 西 方 教 育 的 特 點 之 一 就 是 以 幾 何 為 一 般 學 生 的 入 門 教 材, 達 兩 千 多 年, 並 刻 意 的 在 這 方 面 加 以 訓 練 ( 柏 拉 圖 就 在 他 的 學 院 門 口 宣 示 不 學 幾 何 者, 勿 進 此 門 ) 著 有 幾 何 原 本 十 三 卷 ( Element )
Archimedes 畫 像 1620 by Domenico Fetti
科 學 史 上 第 一 位 蹓 鳥 俠 : 啊 ~ 雞 美 德 先 生 ( Archimedes ) ( 有 漫 畫 家 的 多 幅 作 品 為 證 )
是 歐 基 里 德 還 是 阿 基 米 德?
ㄉㄡˇ ㄌㄟˇ ㄇㄧ 先 生 ( 托 勒 密 Ptolemy ) 托 勒 密 為 了 要 解 釋 行 星 忽 進 忽 退 的 現 象, 創 出 了 大 輪 小 輪 之 說 : 小 輪 之 心 ( 稱 為 epicenter) 環 繞 地 球 以 等 速 圓 周 運 行, 而 行 星 則 在 小 輪 上 繞 小 輪 之 心 试 论 托 勒 密 的 天 文 学 是 不 是 科 学? 上 海 交 大 的 入 學 考 題
中 國 古 時 對 天 地 ( 宇 宙 ) 的 形 狀, 有 種 種 說 法 : 蓋 天 說 ( 大 概 起 自 周 代 ): 天 圓 如 張 蓋, 地 方 如 棋 局 蓋 天 說 認 為 地 平 而 不 動, 星 辰 與 天 蓋 轉 動 日 月 行 星 在 天 蓋 上 移 動 這 種 說 法, 相 當 深 入 人 心 ( 如 : 天 似 穹 廬, 籠 蓋 四 野 北 魏 敕 勒 歌 ), 但 不 易 自 圓 其 說, 也 與 觀 測 結 果 ( 如 地 之 曲 率 ) 不 符 埃 及 張 衡 渾 天 說 : 渾 天 如 雞 子, 天 之 包 地, 如 殼 之 裹 黃 天 地 各 乘 氣 而 立, 載 水 而 浮, 並 製 作 渾 天 儀
花 剌 子 密 780-850 AD Al Khawarizmi 發 明 阿 拉 伯 數 字 費 拔 那 契 1170-1240 AD Fibonacci 將 阿 拉 伯 數 字 系 統 引 入 歐 洲
沈 括 據 沈 括 夢 溪 筆 談 記 載 : 唐 明 皇 夢 見 一 大 鬼 抓 一 小 鬼 啖 之, 自 稱 鍾 馗, 生 前 應 舉 不 捷, 死 後 成 為 鬼 王, 誓 除 天 下 惡 鬼 妖 孽 明 皇 醒 後 及 命 吳 道 子 繪 成 圖 像 後 來 民 間 多 懸 其 像 以 僻 鬼 除 妖
Johannes Gutenberg ( 鉛 活 字 發 名 人 )
哥 白 尼 Copernicus 日 心 說 ( 或 地 動 說 ) 其 實 並 非 哥 白 尼 所 首 創, 哥 白 尼 之 重 要 是 在 適 當 時 間, 提 出 了 他 經 過 詳 細 計 算 的 體 系, 著 作 並 出 版 了 天 体 運 行 論 "De Libris Revolutionum Narratio Prima", 成 為 西 方 科 學 史 上 的 一 個 分 水 嶺
Statue unveiled 24 June 1899, despite objections from Pope Leo IIIX 布 魯 諾, Giordano Bruno 將 哥 白 尼 的 系 統 向 外 推 展, 否 定 了 天 球 之 說 出 版 無 限 宇 宙 論 Dell infinito Universo e Mondi, 主 張 太 陽 是 眾 多 的 恆 星 之 一, 地 球 亦 是 行 星 之 一, 人 類 在 宇 宙 中 也 不 是 惟 一 的 這 種 主 張 與 聖 經 起 了 嚴 重 衝 突 他 在 1600 年 被 判 火 刑, 在 羅 馬 當 眾 焚 死 直 到 今 天, 教 廷 都 不 願 意 承 認 Bruno 的 理 論 是 正 確 的 當 年 送 他 上 火 刑 場 的 Cardinal Bellarmin 已 於 1930 年 被 教 廷 封 為 聖 徒 Rome Campo dei Fiori
Galileo Galilei, 家 裡 略 Einstein : the father of modern science. Pisa
地 球 如 果 動 的 很 快, 何 以 人 在 地 球 上 察 覺 不 出 來? 人 為 何 不 被 摔 出 去? 哥 白 尼 對 此 曾 提 出 辯 解 : 在 平 穩 舟 中 之 人 不 能 察 覺 舟 之 行 動 這 對 伽 里 略 的 力 學 研 究 應 有 直 接 的 啟 發
?? 很 久 很 久 以 前 亞 理 是 不 得 先 生, 你 的 錯 誤 在 這 裡 亞 理 士 多 德 的 學 說 等 速 運 動 需 要 外 力 來 維 持 伽 利 略 的 慣 性 原 則 一 個 運 動 的 物 體, 在 沒 有 摩 擦 力 的 表 面 上, 應 該 恆 以 等 速 度 運 動 中 國 古 籍 中 對 慣 性 的 類 似 觀 察 : 考 工 記 ( 春 秋 戰 國 時 期 ): 馬 力 既 竭, 輈 猶 能 一 取
伽 利 略 的 觀 察 : 在 一 個 平 滑, 沒 有 摩 擦 力 作 用 的 軌 道 上, 在 A 點 放 開 靜 止 的 小 鋼 珠 小 鋼 珠 會 滾 到 與 A 點 一 樣 高 的 B 點 將 右 側 的 斜 坡 逐 步 放 下, 小 鋼 珠 仍 然 會 滾 到 與 A 點 一 樣 高 的 C 點, D 點, E 點 要 是 軌 道 放 平 了, 而 且 是 無 限 長 的 話, 小 鋼 珠 為 企 圖 滾 回 到 與 A 點 一 樣 的 高 度 就 會 在 這 個 沒 有 摩 擦 力 的 平 滑 軌 道 上, 一 直 以 等 速 度 運 動 下 去 這 個 小 鋼 珠 就 成 為 了 伽 利 略 的 慣 性 原 則 中 所 描 述 的 一 個 在 沒 有 摩 擦 力 的 表 面 上 恆 以 等 速 度 運 動 的 物 體 運 動 中 的 物 體 之 所 以 會 趨 於 靜 止, 實 在 是 由 於 摩 擦 力 這 一 類 的 外 力 作 用 所 造 成 的
空 氣 阻 力 : 摩 擦 力 的 一 種
Isaac Newton ( 1642 ~ 1727 ) 以 後 三 百 年 的 物 理 發 展 遠 超 過 前 面 三 千 年 的 發 展 文 藝 復 興 時 期 後, 物 理 的 快 速 發 展 應 歸 功 於 大 環 境 的 變 遷 及 無 數 默 默 無 名 或 意 外 的 貢 獻 者, 一 些 出 名 的 代 表 性 人 物 只 是 盡 量 將 自 己 的 工 作 做 好, 並 因 此 被 擠 上 了 舞 台
物 理 在 研 究 什 麼? ( What is Physics? ) 發 展 至 今 物 理 已 成 為 科 學 領 域 中 最 重 要 也 最 基 礎 的 學 門 之 一 But, what is Physics? 道 理 物 理 非 物 理 ( 動 物 的 理, 人 理 ) 生 理 心 理 物 理 是 探 討 物 質 ( 或 物 体 ) 的 組 成 行 為 彼 此 間 的 互 動 ( 或 相 互 影 響 ) Handles quantities measurable by instruments e.g. weight, length, time
古 典 物 理 與 近 代 物 理 的 發 展 ( Classical and Modern Physics ) From 1600 ~1900 A.D. Classical Physics Classical Mechanics Thermodynamics Electromagnetism 研 究 粒 子 及 流 体 的 行 為 研 究 溫 度, 熱 傳 導 及 多 粒 子 群 體 的 行 為 研 究 靜 電 學, 靜 磁 學, 電 磁 波 及 光 學 From 1900 A.D. ~ Modern Physics Quantum Mechanics Special Relativities General Relativities 解 釋 比 原 子 更 小 的 世 界 解 釋 極 高 速 運 動 粒 子 的 行 為 及 現 象 解 釋 萬 有 引 力 與 空 間 幾 何 性 質 的 關 聯
天 文 的 探 討 Classical Mechanics (Chap. 1-8) Thermodynamics (Chap. 9) Wave (Chap. 10-12) Classical Physics Eelectromagnetics (Chap. 13-16) Solid State Physics (Chap. 22-24) Semiconductor Physics (Chap. 25,26) Integrated Circuits (Chap. 27,28) Quantum Mechanics (Chap. 17-21) 這 門 課 : 從 至 大 的 宇 宙 至 小 的 基 本 粒 子
拼 圖 式 教 學 見 樹 不 見 林 不 到 最 後 關 頭 大 三 才 教 大 四 才 教 難 以 窺 全 貌 永 遠 不 教 大 三 才 教 研 究 所 才 教 大 四 才 教 研 究 所 才 教
素 描 式 教 學 見 林 不 見 樹 雖 能 窺 全 貌 卻 總 有 霧 裏 看 花 的 感 覺 若 是 速 描 功 力 不 夠 還 可 能 嚴 重 失 真 或 誤 導
素 描 式 教 學 哈 佛 大 學 1978 年 課 程 改 革 報 告 : 通 識 課 程 旨 在 傳 授 各 領 域 中 的 思 考 模 式 ( mode of understanding ), 而 非 ( 細 微 的 ) 具 體 內 容 這 門 課 的 設 計 是 希 望 介 紹 1. 完 整 的 物 理 概 念 發 展 過 程, 及 2. 部 分 重 要 的 應 用 實 例 以 幫 助 大 家 了 解 1. 物 理 研 究 的 思 考 模 式, 及 2. 一 些 經 由 物 理 研 究 導 致 的 重 要 應 用
物 理 研 究 的 目 標 ( The Objective of Physics Research ) To explain the most physical phenomena using the simplest form Ex. Two basic types of particles : quarks and leptons Ex. Four basic interactions (forces) 種 類 相 對 強 度 力 場 範 圍 效 應 萬 有 引 力 10-38 infinite 重 量, 蘋 果 落 下, 天 體 運 動 電 磁 力 10-2 infinite 化 學 反 應, 電 燈, 電 視,X- 光 摩 擦 力, 神 經 訊 號 弱 力 10-6 10-17 m quark 及 lepton 之 間 強 力 1 10-15 m quark 及 基 本 粒 子 間 作 用 力
數 量 和 單 位 ( Quantities and Units ) Need unified and stable standard units Need to identify and define basic units e.g. mass, length, time 3 basic units 3 unit systems SI CGS BE Length m cm ft Mass kg g sl (slug), pound Time s s s SI : systeme international BE : British engineering (mks is the mechanical part of the more general SI)
SI units (adopted in this course) (1) Mass kg Original definition : 1 liter of H 2 O @4 o C Now : a piece of platinum-iridium stored in France 國 家 度 量 衡 標 準 局 (2) Length m Original definition : (18 th century) 赤 道 到 北 極 距 離 的 1/10 7 Now (1983) : speed of light = 299,792,458 m/s (3) Time sec Original definition : 1/86,400 of an average solar day Now : cesium-133 atomic clock 的 輻 射 振 動 頻 率 = 9,162,631,770 /sec (4) Other SI units e.g. basic units : Temp Kelvin, K Current, I Ampere, A Derived units : a, (acceleration) m/s 2 F = ma (kg m)/s 2, Newton, N
Power of 10 Standard prefixes Factor symbol prefix e.g. 10 12 T Tera 10 9 G Giga GHz device 10 6 M Mega 16M DRAM 10 3 K Kilo Kg 10-1 D Deci 10-2 c centi cm 10-3 m Milli mm 10-6 Micro m I.C. Technology 10-9 n Nano Nano Technology 10-12 p Pico 10-15 f Femto
準 確 度 ( Accuracy of Numbers ) Accuracy of measurements determines accuracy of numbers Ex. 181 cm 180 cm (180.75 0.03 ) cm 5 digit significant figures ( 有 效 數 字 ) Ex. 170.0cm 4 significant figures 1.70 x 10 7 3 significant figures 0.002560 4 significant figures When parameters are combined arithmetically with one another, the result is only as accurate as the least-accurate parameter Ex. 17.524 + 2.4 3.56 = 16.364 = 16.4 (36.479 x 2.6) / 14.85 = 6.387 = 6.4
大 小 與 數 量 級 的 觀 念 ( Concept of Magnitude and Orders ) 例 如 : speed of light ~ 3 x 10 8 m/s mount of charge of an electron ~ 1.6 x 10-19 C g ~ 9.8 m/s 2 Is 1 Ampere large? Is 1 Coulomb large? Is 1 Volt large? Is 1 Faraday large? Is a 15 kg portable computer too heavy?
第 一 章 完 了?!