第 1 章 序論 §1-1 物 理 學 簡 介 §1-2 物理量的單位 輔助教學網站：http://www.ck.tp.edu.tw/~pxhuang/

§1-1物 理 學 簡 介 物理學是一門研究物質和能量變化的學問，也就是在解釋人類所觀察到的一切自然現象，提供「爲何發生？」、「如何進行？」以及「到底是什麼？」的答案。

一、物理學的範疇 1. 依「研究方法」區分： (1) 實驗物理學： ①現象的量測。 ②設計實驗以測試理論。 ③發展新的測量來窺探未知的現象。 (2) 理論物理學： ①使用較多的的數學作為研究工具。 ②用思考、推導及歸納來建立物理定律、模型、理論。 ③試圖解釋現存的實驗現象，並預測新的物理現象以供檢測。

2. 依「時間進程」區分： 以西元1900年由德國理論物理學家普朗克提出量子論（quantum theory）以解決黑體輻射現象為分界。 (1) 古典物理學（classical physics）：1900年量子論提出以前的物理學，包含牛頓力學、聲學、流體力學、熱力學、光學、電磁學等。 (2) 近代物理學（modern physics）：1900年量子論提出以後的物理學，包含量子力學、狹義相對論、廣義相對論等。

二、物理學演進 1. 地球中心說（地心說）： 認為太陽與眾行星、恆星以地球為中心繞行。為了解 釋行星運行的逆行現象而提出複雜的周轉圓理論，成 為歐洲主要的宇宙觀並延續至中世紀末。 2. 太陽中心說（日心說）： 主張地球與眾行星皆繞太陽作圓軌道運行。影響日後克卜勒提出行星運動三定律，以及伽利略、牛頓創建了力學體系的基礎─牛頓力學。

3. 牛頓力學： 主要依據牛頓三大運動定律和萬有引力定律，可以成功地解釋物體運動的現象和原因，並推導出行星環繞太陽的橢圓軌道。 4. 熱力學： 建立能量的概念。英國人焦耳提出載電流的金屬導體所產生的熱量與電流強度、導體的電阻和通電時間的關係（即焦耳定律），確立熱與功之間的轉換關係。

5. 電磁學： (1) 1820年，丹麥物理學家厄斯特發現電流磁效應。 (2) 1831年，英國科學家法拉第發現電磁感應。 (3) 1864年，英國物理學家馬克士威提出電磁理論， 統合光學、電學、磁學成為一體，也預測電磁波 的存在，發展成無線電通訊的技術應用，改變當 代文明的生活方式。 6. 牛頓力學以及衍生的聲學、流體力學、熱力學，加上電磁學，就構成古典物理學的主要內涵，可以很合理地解釋當時物理學家所研究的現象。

7. 近代物理學： (1) 緣起： ①十九世紀的最後二十年，出現一些令人感到困惑的理論和實驗結果，例如熱輻射的光譜，尋找光傳播時的媒介物質，以及馬克士威方程式在觀察者運動下的轉換等問題，無法由古典物理學作正確的解釋與預測。 ②1897年湯姆森發現電子（獲得1906年的諾貝爾物理獎）後，物理學家陸續發現原子核、質子、中子等組成物質的新粒子，也無法由古典物理學對這些粒子的行為以及原子結構做正確的解釋與預測，在這些新領域中物理學的持續發展而促使新一波科學革命來臨。

(2) 量子力學（quantum mechanics）： 1. 1900年由德國理論物理學家普朗克提出能量不 連續的量子論（quantum theory）概念，合理 解釋了黑體輻射現象中的關鍵難題。 　 2. 十九世紀末還有放射性、x射線的發現及原子光 譜等的研究，引發原子結構的探討，進而發展出 量子力學理論，成功解釋光、電子與原子的實驗 結果。 (3) 狹義相對論（special theory of relativity）： 1.人物：1905年美國籍猶太人愛因斯坦。　 2. 討論以等速度作相對運動中的物理現象，重新探討古典物理學中的時間與空間之定義，因此發展出全新的力學理論，可以適用於物體從靜止以至高速運動的所有情況，解決了當物體運動的速率接近光速時，以古典物理學理論無法正確解釋現象的難題。

答案： (1)Ａ；(2)Ｂ；(3)Ｋ；(4)Ｅ；(5)Ｊ；(6)Ｄ；(7)Ｈ 例題：下列 (1)～(7) 是物理史上重要的學說或發現，請由下列 (A)～(L) 的 12 個選項中選出其倡議者或發現者。　 (A)愛因斯坦　(B)哥白尼　(C)伽利略　(D)湯姆森　 (E)馬克士威　(F)司乃耳　(G)焦耳　　(H)克卜勒　 (I)牛頓　　 (J)普朗克　(K)托勒米 (L)亞里士多德 (1) 提出「狹義相對論」：　　　　。 (2) 太陽中心說（日心說）：　　　　。 (3) 地球中心說（地心說）：　　　　。 (4) 預測電磁波的存在：　　　　。 (5) 提出「量子論」：　　　　。 (6) 發現電子：　　　　。 (7) 提出行星運動三定律：　　　　。 答案： (1)Ａ；(2)Ｂ；(3)Ｋ；(4)Ｅ；(5)Ｊ；(6)Ｄ；(7)Ｈ

§1-2 物理的單位 1. 物理量的意義： 物理量用來表示物理定律的各種量稱為物理量，物理量都是能夠被測量的，例如長度、時間、質量、速度、加速度、力量等。 物理量包含數字與單位兩部份。數字部份是經過測量所得，須包含精確值和一位估計值。 物理單位可分為基本單位和導出單位 標準單位的制定，必須考慮「方便性」和「不變性」。

公制單位系統的沿革： 國際公認的「公制單位系統」，使得世界各地的科學研究成果和資料，得以更方便地分享和流通，有利於科學的進展。 1960年，國際公約把公制單位系統命名為「國際單位制」（S.I.制）。 公制單位系統的沿革： 1791年，法國大革命爆發後，當時國民會議為了改革封建時代的制度，倡議採用方便計算的十進位制，並且取材自然界的事物作為基本單位的測量基準。 1795年，法國全國正式使用公制。

1875年，在巴黎召開第一屆國際度量衡大會，有十七國正式簽署國際公制協定。 1889年，完成鑄造鉑銥合金米尺原器和公斤原器。 1960年，第十一屆國際度量衡大會正式命名由六個基本物理量所構成的單位系統「國際單位制」（簡稱為 S.I.制）。這六個基本物理單位為公尺、秒、公斤、安培、克耳文（絕對溫度）和燭光。 1971年，第十四屆國際度量衡大會決定在 S.I. 制中加入第七個基本單位----莫耳。

國際單位制（System International 簡稱 SI 制）的基本單位

力學中基本單位的定義： 秒：1963年，採用銫 -133 原子鐘作為時間單位一秒的測量基準，以銫 -133 原子某特定波長所發出的光，振動 9,192,631,770 次所經歷的時間。 公尺：1791年，訂定一公尺為地表上沿經線經巴黎至北極的長度的一千萬分之一。 1960年，一公尺改訂為氖-86原子光譜中橘紅色光在真空中波長的1,650,763,73 倍。 1983年，改定一公尺為光在真空中傳播 299,792,458分之一秒所走的距離。 公斤：早期是以一立方公分的純水在 4℃ 時的質量定義為一公克，一公克的 1000倍為一公斤。1889年國際協定鑄造一個鉑銥合金公斤原器作為標準。

例題：在公制單位系統中，哪一個是唯一以人造物品作為基準來定義的項目？ (A)長度 (B)溫度 (C)質量 (D)時間。 答案：C 例題：下列哪一個單位不屬於S.I.制單位？ (A)庫侖 (B)克耳文 (C)莫耳 (D) 安培 (E)燭光 答案：A

例題：依國際單位系統，長度的基本單位為公尺。 一公尺的標準最初曾被定義為「由北極經巴黎到赤道的子午線 (經線 )，其長度的一千萬分之一」。根據這個標準，試問地球的半徑約為多少公尺？ (A) 6 10 4 (B) 6 10 6 (C) 6 10 8 (D) 6 10 10 (E) 6 10 12 。 答案：B 例題：1983年第十七屆國際度量衡會議改採什麼作為「公尺」的最新標準？ (A)鉑銥合金棒 (B)地球子午線長度 (C)光速 (D)氪 Kr 原子發出橘紅色光的波長 答案：C

例題：用甲尺去量固定兩點之間之距離,所測得之數值為a，用乙尺來去量得 b，已知乙尺比甲尺短，用乙尺來量甲尺得 c，則 (A)a = b + c (B) b = c + a (C) a = bc (D) b = ca (E) c = ab。 答案：D 例題：若以恆星正對地球某子午線兩次所需的時間為一恆星日，而 1 年中地球平均正對太陽的次數為 365 次（稱為太陽日），則一個恆星日相當於 (A)1個平均太陽日 (B)366/365平均太陽日 (C)365/366平均太陽日 (D)2個平均太陽日。 答案：C

例題：已知月繞地一周圍 27.3天，則連續兩月圓時間為何？ 日 地 月 θ

例題：在赤道處日落後兩小時，所能看到在正頭頂上之人造衛星，其最小高度與地球半徑之比值為何？ 30 o

單位的輔助符號 數量級 10 12 10 9 10 6 10 3 10 2 字首 tera- giga- mega- kilo- hecto- 符號 T G M K H 名稱 兆 十億 百萬 千 百 數量級 10 -2 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 10 -15 字首 centi- milli- micro- nano- pico- femto- 符號 c m μ n p F 名稱 厘 毫 微 奈 皮 飛

有效數字： 測量難免有誤差，為了表示測量的誤差，我門在最小精確度下再加一位估計值。 例如一木桿的長度經測量為 123.0 cm，表示所使用的米尺的最小單位為 cm，因此 1、2、3 為精確數字，0 為估計數字，有效數字共 4 位。 有效數字的加減乘除：寫成直式，最後只留一位估計值（四捨五入）。例如 123.0 + 12 = 135 123.0 × 12 = 1.5 × 10 3

科學記號表示法： 將測量的數值表示成 a × 10 n（其中 1≦a≦10）的形式，稱為科學記號表示法，一旦將測量值寫成科學記號表示法，就可以輕易從前面的 a 有幾位知道有效數字有幾位，及哪一位為估計值。 數量級： 為方便在估算或比較物理量的大小，常取最接近該數字 10 的乘方作為估計值，稱為該物理量的數量級。 將物理量的數值寫成科學記號表示法為 A × 10 n，其中 1 ≦ A < 10，n 為整數。

例題：已知砂的組成物質單元為矽原子，矽原子直徑約為2. 35 ×10 -10 公尺，則直徑 0 例題：已知砂的組成物質單元為矽原子，矽原子直徑約為2.35 ×10 -10 公尺，則直徑 0.1 毫米的一粒細砂含有的原子數目約為多少？(選最接近的數量級) (A) 10 6 (B) 10 9 (C) 10 13 (D) 10 17。 答案：D

測量結果的表示法： 測量結果的運算： 加減法：

乘除法：

THE END