第一章 物理學簡介與基本測量 1-1 物理學簡史 1-2 物理基本測量與單位

1-1 物理學簡史 「科學」的英文字 ”Science”一字源自於拉丁文字根 ”Scientia” 變化而來，其涵義為「知識」，乃是由亞里斯多德(Aristotle, 384-355 B.C.)所提出的觀念。 物理學則是一切科學的根本，早期時物理學被稱為自然哲學(natural philosophy)，其探討的觀點是自然界最基本的層面，舉凡時間與空間的概念、物質與能量的關係，都包括在其研究的範圍。 回上一頁 回第一章

古老的自然科學是與哲學融合在一起的，稱為自然哲學，很多的理論不是依據實驗得來，完全是一種思考的產物 。 公元前300年時希臘文化發達，當時的代表人物是偉大的哲學家及數學家阿基米德，他在物理上的著名學說是浮力原理及槓桿原理，他的生平沒有詳細記載，但關於他的許多故事卻廣為流傳。 回上一頁 回第一章

阿基米得利用槓桿滑輪做出的守城武器，可將船隻勾起後升起，再摔到海上，使其毀壞。 回上一頁 回第一章

羅馬滅亡後，人類在物理學，乃至整個科學進入一個停滯期，基督教的神學主宰一切，人們的生活重心在關心宗教和死後的生活，而現世的生活反而遭到忽略。 經過一千多年的黑暗時期，人們開始對許多事情發生疑問，並尋求答案，不再盲目接受。十五世紀初期在義大利興起的文藝復興是將科學從神學禁錮中解放出來的轉捩點。 回上一頁 回第一章

地心說與日心說 受到人類的主觀直覺，以及在西方教會的強力支持下，「地心說」延續流傳了一千三百年之久，在中古世紀的歐洲，教會甚至禁止人們有不同於「地心說」的想法。 哥白尼在1543年發表《天體運行論》 ，提出與神學相違背的觀點，認為太陽位於靠近宇宙中心的地方並靜止不動，最外面是恆星天球，其次為土星、木星、火星、地球、金星和水星，地球則每年繞日一周。 回上一頁 回第一章

日心說示意圖 回上一頁 回第一章

克卜勒依據哥白尼的學說，且幸運的繼承了天文學家第谷所紀錄下來的天文資料，歸納出有名的行星運動三定律，這三個定律將太陽系用數學結成一體，更加肯定哥白尼學說的正確性。 伽利略相傳曾在比薩斜塔上做自由落體的實驗，且因為支持哥白尼日心說的理論，而受到宗教審判與壓迫。伽利略探討自然界的物理現象，重視實驗觀測，再經分析歸納後形成基本觀念。 回上一頁 回第一章

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古典物理學 一、力學 古典力學是描述具有質量的物體受力時，其運動方式的變化以及相互間的規則。 在牛頓之前，描述物體運動的基本觀念與數學方法皆已大致建立，其中的代表性人物是克卜勒與伽利略，但最後集大成的是牛頓。 他發現了『萬有引力定律』和『三大運動定律』，且利用他發明的微積分，在理論上推導出克卜勒的行星運動定律。 回上一頁 回第一章

西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得的《反射光學》研究了光的反射；但光學真正形成一門科學，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起。 二、光學 西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得的《反射光學》研究了光的反射；但光學真正形成一門科學，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起。 光的本性也是光學研究的重要課題。牛頓提倡的『粒子說』把光看成是由微粒組成，而海更士則主張光是一種波。 『波動說』和『粒子說』的擁護者們相互爭論了好幾個世紀。 回上一頁 回第一章

熱學發展史可從伽利略發明的「水溫度計」開始，在經過溫度計不斷的改良後，為熱學的「定量」實驗打下基礎。 三、熱學 熱學發展史可從伽利略發明的「水溫度計」開始，在經過溫度計不斷的改良後，為熱學的「定量」實驗打下基礎。 古時候的人認為：「熱」是一種會傳播、會流動的「物質」。 科學家冉福得對熱質說所解釋的一些現象產生懷疑，並在做了各種實驗後提出熱的「運動說」，以駁斥「熱質說」。 回上一頁 回第一章

焦耳從事熱功當量的實驗研究，累積了三、四十年的熱功當量實驗數據，以實驗證實熱也是一種能量的形式，能量的轉化與守恆定律才得以確立。 回上一頁 回第一章

(2)靜磁現象和靜電現象很早就受到人類注意。吉伯特提出「地球是一個大磁石」的看法。 四、電磁學 古典電磁學發展史基本上可以分為三期： (一)法拉第之前，是電與磁的發現 。 (1)這時候的電學與磁學是分開發展的。 (2)靜磁現象和靜電現象很早就受到人類注意。吉伯特提出「地球是一個大磁石」的看法。 回上一頁 回第一章

(3)杜非可說是當時深入探討靜電現象的第一人，他提出「二流體學說」的理論，來說明已知的靜電現象。 (4)富蘭克林提出了「一流體說」的理論，並且首先使用正、負來描述不同的電。 (5)庫侖發明了極靈敏的扭轉天平，並用巧妙而精密的方法檢驗了電力和萬有引力一樣，具有和距離二次方成反比的定律，稱為庫侖定律。 回上一頁 回第一章

(二)法拉第時期，是電磁感應現象的萌芽與發展 。 (1)本時期最主要的兩個重大發現是厄斯特（Oersted）發現電流會產生磁場，以及法拉第（Faraday）發現變化磁場能夠產生電流。 (2) 1800年伏打發明電堆，提供了產生恆定電流的電源，使科學家得以從各方向研究電流的效應，自此電學由靜電走向動電。 回上一頁 回第一章

(3)安培找出了兩小段電流作用力之量化描述，可以計算各種形狀的導線間的作用力。這就是電磁學中第二個最重要的定理「安培定律」。 (4)法拉第從實驗中證實:當一個封閉線圈內的磁場發生變化時，在導線上會感應出電流，這就是著名的法拉第定律。 回上一頁 回第一章

(三)馬克士威時期，馬克士威的方程式以及電磁波的發現。 (1)本時期主要的兩個重大發現，是馬克士威（Maxwell）提出電磁學方程式，預言空間中存在電磁波，以及赫玆（Hertz）以實驗證實了電磁波的存在。 回上一頁 回第一章

(2)馬克士威統合了“高斯”，“安培”，“法拉第”三人之理論，成功的得到統一的電磁場理論，他提出一組四條簡潔、優美的數學方程式，構成電磁學的核心理論，這組方程式通稱為馬克士威方程式。他並「預言」了電磁波的存在，而且推導出電磁波和光的速度相同，故推測光是電磁波的一種。 回上一頁 回第一章

(3)赫茲以簡單的電學振動方式(利用電感-電容振盪的原理)在實驗室中產生人工的電磁波。發射出電磁波，證明了馬克士威的理論。 回上一頁 回第一章

近代物理學 隨著物理學的發展與實驗科技的進步，科學家開始注意到高速運動系統與微觀體系（如原子、分子與原子核等）的物理現象，因而建立了相對論與量子力學，它們構成了近代物理的兩大基礎。 普朗克提出「量子論」──為了解釋黑體在一定溫度下輻射能量的分布而引進能量量子這樣的概念，，因而提出一個假說，認為「能量」不是連續的量，而是一束一束孤立量，稱為「量子」。 回上一頁 回第一章

隨後愛因斯坦擴展了普朗克的量子概念，認為光就是一種量子，稱之為「光子」，並成功的解釋了當時令物理學家困惑的「光電效應」。 愛因斯坦最主要的成就是相對論。他分別於1905年和1915年發表狹義相對論和廣義相對論。 回上一頁 回第一章

一個曾在瑞士標準局工作的小職員，經努力後成為物理學上的偉大學者 回上一頁 回第一章

量子力學主要是在描述原子等級或更小的粒子之極小尺度下的粒子行為，即所謂物質的微觀世界。舉凡:半導體、超導體、奈米材料、雷射、積體電路晶片、掃描顯微技術、核磁共振、核分裂與核融合反應爐（核能的產生器）等的突破性成就，都是量子力學理論下的應用。 回上一頁 回第一章

1-2 物理基本測量與單位 物理學是注重實驗觀察與測量的科學，藉由實驗與理論之間相互激盪，以取得正確的概念。 1-2 物理基本測量與單位 物理學是注重實驗觀察與測量的科學，藉由實驗與理論之間相互激盪，以取得正確的概念。 「測量」是學習物理的基礎，而一個實驗的測量，包含「數字」和「單位」兩個部份。 回上一頁 回第一章

長度、質量與時間三個基本量是最容易被測量也被廣泛使用的，世界上對這三個基本量最常用的單位制為公制與英制。 公制單位為十進位制，故較多國家採用，包括MKS制與CGS制。MKS制以公尺(meter)、公斤(kilogram)與秒(second)為基本單位；CGS制以公分(centimeter)、公克(gram)與秒(second)為基本單位。 英制單位為FPS制，以呎(foot)、磅(pound)與秒(second)為基本單位。 回上一頁 回第一章

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長度的單位與測量 十八世紀時，長度單位是以由北極出發，通過巴黎到達赤道的子午線長度的一千萬分之一稱為一公尺。 1875年國際度量衡會議決定根據上述規定，以90%鉑與10%銥鑄造一個鉑銥合金的標準公尺原器，並以攝氏0度時，兩端刻痕間的長度為國際上一公尺的長度標準，將其存放於法國巴黎附近塞佛(Sevres)的國際度量衡標準局中，並複製至各國，作為各國長度單位的標準。 回上一頁 回第一章

1960年第十一屆國際度量衡會議決定改用氪-86(86Kr)原子在真空中之橘紅色光波長的1,650,763.73倍為一標準公尺。 1983年第十七屆國際度量衡會議中，重新制定一標準公尺為光在真空中299,792,458分之1秒所行進的長度。 回上一頁 回第一章

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質量的單位與測量 物體內所含物質多寡的量稱為質量，這是利用天平測量物體所得到之物理量。 1889年以前，公制的標準質量是以一公升的純水在4℃時的質量定義成一公斤。這個標準有兩點缺點：(一)純水不易取得。(二)需定義另依單位---「溫度」，且溫度的控制需十分精準。 回上一頁 回第一章

1889年國際度量衡會議中決議，採用一以鉑銥合金製成之圓柱體為標準公斤原器，將其質量定為一公斤，作為質量單位的標準，將其存放於法國塞佛之國際度量衡標準局中，並複製至各國。 我國的複製品為NO. 78原型公斤(Prototype Kilogram NO. 78)，於民國84年5月30日啟用，現正存放於新竹工業技術研究院的量測技術發展中心。 回上一頁 回第一章

公斤原器為鉑銥合金做成，是一個高度與直徑皆為3.9公分的實心圓柱體。 回上一頁 回第一章

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時間的單位與測量 自古以來，人類觀測自然，可發現許多具週期性的變化，如太陽東升西落，四季變化等，也利用這些規律的變化作為時間了量測。人們也利用脈搏、單擺、沙漏等有週期性變化且可以重複發生的事物來測量時間。 中國古代將一天分成十二個時辰，希臘人則將日夜各分為十二小時。曆法上的時間單位是以平均太陽日為基準。 回上一頁 回第一章

一個太陽日是指太陽連續兩次通過同一子午線正上方所經歷的時間，一年所測得的太陽日平均值稱為平均太陽日。 一平均太陽日定義24小時，一小時定義為60分鐘，一分鐘定義為60秒，故一秒鐘定義為一個平均太陽日的86,400分之1秒。 回上一頁 回第一章

1967年，第十三屆國際度量衡會議決定採用銫-133原子的某一特定輻射光波，振動9,192,631,770次所需的時間為基準，定義為1秒，並沿用至今。 回上一頁 回第一章

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國際基本單位 為了因應世界各國的需求，避免各國因單位制度不同造成合作與交流的不便，1960年10月第十一屆國際度量衡會議中協議訂定了國際單位系統，由六個基本物理量所構成，並於1971年第十四屆國際度量衡會議時因應化學計量的需要，加入「莫耳」這個單位，並將此七個基本單位簡稱為SI制單位。 回上一頁 回第一章

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