基礎物理與生活物理 陳御中老師

課程書籍 指定課本： 物理與生活 -- 張振華著 參考書籍： (1) 觀念物理 – 蔡坤憲譯 《天下文化》 (1) 觀念物理 – 蔡坤憲譯 《天下文化》 (2) 普通物理 -- 余健治等合著 《東華書局》

課程進度 9/12 物理的發展 9/19 物理的單位與測量 9/26 復習、小測驗和討論 10/3 運動的描述 10/17 力與靜力平衡 9/12 物理的發展 9/19 物理的單位與測量 9/26 復習、小測驗和討論 10/3 運動的描述 10/17 力與靜力平衡 10/24 力與運動 10/31 復習、小測驗和討論 11/3~7 期中考週

11/14 壓力與靜止流體中的壓力 11/21 靜止流體中的浮力 11/28 流動流體的物理 – 白努利原理 12/5 復習、小測驗和討論 12/12 溫度與熱平衡 12/19 熱量與比熱 12/26 物態的變化 1/2 復習、小測驗和討論 1/5~9 期末考週

評量方式 期中考：30% 期末考：30% 小考與學習討論：20% (參與討論者有加分) 小考與學習討論：20% (參與討論者有加分) 報告：20% 一次，於12/26前繳交。報告的範圍以生活或新聞中的物理為題材來寫。例如第一次上課的內容。

CHAPTER 1-1 物理學的發展和問題

物理的發展 物理學是什麼樣的學問？ 物理是以觀測現象來發現問題，進而給出理論（歸納與邏輯推演的結論）描述，再用更多的實驗觀測來驗證的一門學問。 自從人類進化到具有智識的程度，能夠具體地提問”為什麼”之後，人類就希望能對自然事物的發生給出合理的說明，而有了生產需要後，更企圖以理智預測自然事物的發生（如歷法的產生）。結合這兩個基本的動力來源，於是就有了研究與產生知識的基礎條件。

我們生存的世界具有什麼樣的物理現象呢？

亞里斯多德在物理學上提出過許多著名的理論，例如物質四元素說（水、火、空氣和土）；物體受力方能持續運動；重物體掉落速度快於輕物體等主張。 亞里斯多德宣稱他的哲學是”研究真實宇宙實質的科學”，也就是透過研究各種特定事物的實質來研究宇宙。因此他開創了邏輯學，提出了所謂的四個公理：同一性定律、矛盾率、排他律、充分理由定律，並確定了概念、判斷、推理等邏輯形式，從而首先提出歸納和演繹兩種方法。他的這些基本理論觀點和研究方法，促進了往後科學的發展。 亞里斯多德在物理學上提出過許多著名的理論，例如物質四元素說（水、火、空氣和土）；物體受力方能持續運動；重物體掉落速度快於輕物體等主張。 亞里斯多德 384BC~322BC 吾愛吾師，吾更愛真理

托勒密 85AD~165AD 托勒密以總結希臘天文學織成究，寫成《至大論》十三卷，並且以偏心圓和小輪體系方法為”地心說”給出系統話的論證。由於符合人類直觀以及宗教需求，其學說影響長達一千多年。

哥白尼 1473AD ~ 1543AD 在長久被中古教會所認可的托勒密天文體系影響下，1543年哥白尼出版了《天體運行論》提出日心說以解決地心說所面對的越來越嚴重的困難。

火星的逆行現象

伽利略 1564AD ~ 1642AD “伽利略是對的！”--阿波羅15的斯科特在月面做完錘子和羽毛的自由落體實驗後如此的大叫。 伽利略在物理發展上具有極重要的地位。他是第一位大量運用儀器來從事實驗與觀測的科學家。他發現單擺的規律並以此來測量時間；製造了溫度計測量溫度；採用了望遠鏡觀測天體並以此支持哥白尼的日心說。傳言中最著名的就是比薩斜塔的大小鐵球實驗（並無任何記錄，史載的第一人是荷蘭人斯台文於1586年完成），此實驗否定了亞里斯多德的看法。另外，他也提出不受力的物體其運動為靜者恆靜動者恆等速運動的假說來挑戰亞氏的理論。

如果我比笛卡兒等人看得遠些，那是因為我站在巨人的肩上而已。 牛頓因著站在克卜勒、伽利略等巨人的肩膀上，得以完成其偉大的三大運動定律以及萬有引力定律的研究。此外，牛頓還在光學上有很重要的研究。他提出光的粒子說以解釋白光穿透透鏡的折射現象，他並發表彩色光譜的研究初步地解釋了人如何看見事物色彩的疑惑。由於他在運動學上的偉大成就，使得人們普遍接受光粒子說而壓抑惠更斯等所主張的波動說。 艾薩克·牛頓 1643AD ~ 1727AD

托馬斯·楊 1773AD ~ 1829AD 西元1801年，楊氏設計了雙狹縫的干涉實驗，發現了粒子說所無法解釋的干涉條紋現象，因而證實了惠更斯所提出的光的波動說，使人們就此放棄了牛頓的光粒子說的理論。

楊氏實驗的光波動畫

馬克斯威爾 1831AD ~ 1879AD 馬克斯威爾以庫倫、安培一直到法拉第等人的工作為基礎，於1854年到1865年其間陸續發表《論法拉第力線》、《論物理力線》和《電磁場的動力學理論》三篇論文，提出電磁理論創造性的電磁理論及其數學架構。特別是第二篇論文預言了電磁波的存在以及數學描述。其後為赫茲於1888年的火花放電實驗中證實電磁波的存在。

阿爾伯特·愛因斯坦 1879AD ~ 1955AD

票選現代物理上最著名的物理學家，勿庸置疑的第一名便是愛因斯坦教授。其著名的質能互換方程式E=mc2更是唯一家喻戶曉的專業公式。 1915年他發表廣義相對論，經1919年愛丁頓的日食觀測證實而修改了牛頓的萬有引力定律。1917年提出的《論輻射的量子性》則成為雷射的理論基礎。

新聞中的物理 – 大強子對撞機

探物質起源，在零下271度下注入高能量質子束，預計下月21日對撞，有人憂心世界末日到來。 歐洲共同加速器中心建造的大強子對撞機（ＬＨＣ）今天下午將正式啟動，首度注入質子束並試運轉。 台灣在這項大型國際合作計畫中沒有缺席，中央研究院參與ＡＴＬＡＳ偵測器實驗；台灣大學和中央大學共同參與ＣＭＳ實驗，一起探索物質的起源、解開宇宙的未知、尋找新物理現象。 台灣大學物理系主任也是ＣＭＳ計畫主持人熊怡解釋，ＬＨＣ有八個區段，遍布一千六百個超導磁鐵，這些超導磁鐵要保持攝氏零下二百七十一度。他指出，一開始先要驅動ＬＨＣ的「超級質子同步加速器」，注入高能量的質子束到ＬＨＣ中運行，保持精準的同步運作狀態，提高能量，預計十月廿一日進行對撞，屆時將撞出太陽中心十億倍的高溫，但熱的時間很短，小於一奈秒。他指出，ＬＨＣ可以將質子的能量提高至七ＴｅＶ（七兆電子伏特），也就是將質子加速到百分之九十九點九九的光速對撞。台灣的研究團隊加入的實驗則是分別分析研究ＡＴＬＡＳ和ＣＭＳ偵測器紀錄的數據。 熊怡說，目前物理的標準模型只能解釋百分之四的宇宙物質，剩下的百分之九十六仍然未知，ＬＨＣ實驗就是希望能探索這些未知，解答古老的問題：質量是什麼？其他的宇宙成分為何？反物質為何消失了？暗能量、暗物質是什麼？太多數不清的問題。熊怡說，現在物理學家認為，希格斯粒子可能解開質量的奧秘，台灣參與的兩個計畫，都以尋找希格斯粒子為首要目標。 美國作家丹布朗小說「天使與魔鬼」以ＣＥＲＮ為背景，其中的研究人員發現了反物質，可以用做毀滅性的武器；今年初也有人認為ＬＨＣ可能製造出黑洞，導致世界末日。 中研院物理所研究員李世昌認為，對撞成功的能量的確可能造成黑洞，但是以現在的理解來看，宇宙射線的能量大概是ＬＨＣ的一百萬倍，每天不斷產生，如此高能的質子打在地球上，十億、廿億年，地球並沒有消失。他說，質子束以每廿五奈秒撞一次，頻率與量度會慢慢提高，接下來一到一個半月間收集數據分析，順利的話明年春天會再對撞第二次，一開始應會先驗證目前已知的物理現象。 李世昌強調，今天注入質子束運轉與下個月的對撞都不一定會成功，可能還要一再調整、嘗試。 【2008/09/10 聯合報】

歐洲中部夏令時間（CEST）9月10日上午9點（台灣時間10日凌晨3點），人類有史以來最龐大的一部機器──位於瑞士與法國邊界地下深處的「大強子對撞機」（Large Hadron Collider，ＬＨＣ）將正式啟用，射出 第一道逼近光速的質子束。 對全世界的物理學家而言，ＬＨＣ將開展出無比豐碩的探索之旅，希格斯玻色子、超對稱性、暗物質、多維度空間……許多自然界最重要的奧祕都可能從此撥雲見日。 科技新挑戰 探索自然界奧秘 然而在某些人看來，ＬＨＣ卻可能是世界毀滅的起點、宇宙末日的開端。隨著啟用日期逐漸逼近，這股集體歇斯底里也有蔓延之勢，頂尖的物理學家收到死亡威脅信函，電話與電子郵件也湧進負責ＬＨＣ的歐洲粒子物理研究中心（ＣＥＲＮ），有人苦苦哀求，有人嚴厲警告。 微型黑洞 有人擔心世界末日 以德國生物化學家羅斯勒（Otto Rossler）為首的一個團體，憂心之餘進而採取法律行動，在八月廿六日向歐洲人權法庭提起訴訟，聲稱ＬＨＣ的質子對撞實驗後果難料，可能會在加速器中產生「微型黑洞」（ＭＢＨ）或者「玻色新星」（Bosenova）。人類必須在釀成浩劫之前懸崖勒馬，不能讓ＣＥＲＮ一意孤行。依照羅斯勒等人的想像，微型黑洞的後果尤其可怕，一旦產生，災難科幻電影的場面將會在地球真實上演：黑洞開始吞噬周遭物質，地震接二連三，地殼出現裂縫，岩漿泉湧而出，海水沸騰汽化……最後整個地球消失在這個連光線都逃不出去的黑洞之中。 學者研究轟擊不會造成毀滅 其實這種「ＬＨＣ末日論」並不新鮮，從一九九四年計畫發軔以來就如影隨形。ＣＥＲＮ眼見各方論調越來越天馬行空，於是在二○○三年委託獨立學者進行研究，證明相關說法的荒誕無稽。今年ＬＨＣ正式啟用之前，ＣＥＲＮ再度委託五位學者，對二○○三年報告進行檢討與更新，希望徹底廓清公眾的疑慮。這份最新報告（http://www.iop.org/EJ/abstract/0954-3899/35/11/115004/）指出，地球與其他天體亙古以來不斷遭受宇宙線（cosmic ray）的轟擊，其能量經常高於ＬＨＣ的質子束，事實上大自然每秒鐘約進行三十兆次ＬＨＣ實驗，但是天文學家從來沒有觀測到天體在宇宙線轟擊之下毀滅。最有可能因此產生微型黑洞的高密度天體如中子星與白矮星，也沒有任何證據顯示這類黑洞曾對它們構成威脅。 網路直播射出第一道質子束 退一萬步而言，就算ＬＨＣ真的克服各種物理定律的壁壘，讓兩顆質子以相當於兩隻蚊子相撞的能量撞出微型黑洞，它們也會因為霍金輻射（Hawking radiation）效應而在剎那間消失；就算它們鬼使神差地穩定下來，天體觀測的證據也顯示，它們再過幾十億年也不會有任何動靜。 因此除非ＬＨＣ末日論者是愛因斯坦再世，有能耐一一推翻正統物理學的論述，否則我們還是大可以放下心來，在九月十日當天透過網路現場直播（http://webcast.cern.ch），好好欣賞這場科學界的曠世偉業，為參與計畫的全球八十五國、一萬多位科學家與工程師喝采加油。 中時電子報2008/09/09