1、CHAPTER 1緒論緒論第一節第一節 物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係第二節第二節 物理量的測量與單位物理量的測量與單位第三節第三節 物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析第一節第一節物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係一、一、物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係簡介物理學探討的方向，及其涵蓋的範疇物理（Physics）一詞源自希臘文的自然，早期稱為自然哲學。人類自古以來，從日常生活中觀察到許多現象，產生千頭萬緒的知識與問題，在對這些千頭萬緒的知識與問題不斷地探索與進行分門別類的研究當中，逐漸累積成豐富、有系統的知識。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與
2、其他科技的關係 物理學所探討的方向，大如星球、太陽等宇宙構成及來源；小如原子、質子等微觀粒子的組成及性質。而在知識累積成長的基石下，發展出良好的實驗研究工具，來探索更深入的自然科學結構與變化。物理學涵蓋的範疇包含力學、光學、熱學、電磁學、近代物理等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係1.力學是研究力與物體運動的關係，力學的應用有槓桿、斜面、滑輪（圖1-1）、輪軸等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係2.光學是研究光的現象，光學的應用有面鏡、透鏡、光纖、雷射、3D影像、望遠鏡（圖1-2）、顯微鏡等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係3.
3、熱學是研究熱的現象，熱學的應用有聖誕燈、熱氣球、蒸汽機（圖1-3）、汽（柴）油引擎、冰箱、冷氣機等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係4.電磁學是研究與電磁相關的所有現象，電磁學的應用有電磁爐、馬達、發電機、無線通訊、雷達天線、微機電系統、通訊衛星（圖1-4）等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係5.近代物理是從微觀角度研究物質的組成及其間的交互作用。近代物理的應用有X射線的應用、二極體、電晶體、探針掃描式顯微鏡、電子顯微鏡、核能的使用、奈米科技（圖1-5）等。課本P.2物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係 十九世紀結束時，物理學研究領域涵蓋了力
4、學、光學、熱學、電磁學，統稱為古典物理學。二十世紀初期，革命性的量子力學理論誕生，在實驗上陸續發現電子與原子核內的中子、質子，此外，愛因斯坦創建相對論重新詮釋了物理學的時空概念，改變以往我們對物理世界的看法。在二十世紀所發展的物理學稱為近代物理學。課本P.23物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係二、二、簡介物理學及其他基礎科學的關係 自然科學按研究的對象可分類成物質科學和生命科學兩大領域。物質科學主要研究的是物質的組成與組成物質間的交互作用的性質或現象，當中包括了物理學、天文學、化學、地球科學等等。而生命科學主要研究的是有關生命群體部門的現象或分類，包括了動植物學、微生物學、生態學、醫
5、學等等。物理學與其他基礎科學的關係簡介如下：課本P.3物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係數學是研究自然界現象必備的工具。數學雖不屬於自然科學的一環，但物理學的演繹與陳述，透過數學形式能作精確表達（圖1-6）。課本P.3物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係化學與物理涵蓋的範圍一度模糊難辨，直到拉塞福（圖1-7）因證實原子核的存在，才有明顯的分野。儘管如此，物理與化學間仍有密切的關係。課本P.3物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係因受到DNA的X射線繞射圖片的啟發促成生物學家華生與物理學家克立克進一步發現DNA的結構（圖1-8）。近代生物學從微觀角度試圖解開生物所表現的複
6、雜行為也與近代物理的研究方式相當一致。課本P.4物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係將物理應用在地球科學研究或基礎分析，如地震波的性質（圖1-9）、地球磁場的來源、地球內部的熱流、大氣科學、海洋科學等。課本P.4物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係三、三、簡述物理學與應用科學的關係 就科學研究的目的而言，科學研究可以分為基礎科學和應用科學兩大領域。將科學概念或結果具體呈現、為人類提供服務的科學，稱為應用科學。應用科學種類繁多，以下列舉幾個例子來說明物理學與應用科學的關係。課本P.4物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係從血壓計、靜脈注射、X射線照射、正子斷層掃描（PET）
7、、與磁振造影（MRI）（圖1-10）都是根據物理理論設計出來的。如人體2/3的重量為水分，當施加一射頻脈衝信號時造成氫的能量狀態發生變化輻射出電磁波。經過磁振造影（MRI）將病理變化記錄下來。課本P.4物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係 人類依生活所需而造橋、鋪路、建築房屋，又因地理環境因素發展出抗震、防風、消防、供電、防洪的技術需求。更在力學及材料力學發展成熟之後，利用電腦軟體設備模擬出更安全與經濟的建築物。課本P.4物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係人類與所處環境間的關係，包含聲、光、熱、電磁場對人類的影響，對汙染物、毒物的衛星監控與去除，都會應用到物理延伸的技術（圖1
8、-11）。課本P.45物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係 從牛頓萬有引力定律及運動定律之後，物理學實現並豐富人們對太空的夢想。今日科學家運用電漿物理的知識分析太陽風與行星磁場的關係，如圖1-12。課本P.5物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係圖1-12地球的磁圈受太陽風的影響，在面對太陽的一面，其邊界離地心的距離小於在背著太陽的方向邊界離地心的距離課本P.5物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係1895年侖琴用X射線拍了一張他太太手的照片（圖1-13）。課本P.5物理學與其他科技的關係物理學與其他科技的關係 今日放射照相術在工業上與醫學上的應用已經非常廣泛，圖1-14為
9、海關貨品通關檢驗的放射照相影像，顯示貨櫃中未申報走私偷運的貨品。課本P.5物理量的測量與單位物理量的測量與單位第二節第二節物理量的測量與單位物理量的測量與單位 現象往往極其複雜，用一般語文不易精確而詳盡地描述，因此數學語言就應運而生了。物理學是一門實驗的科學，研究過程中如果能準確地量度實驗數值，將增進物理現象的推估或模擬。任何的測量是將待測的物理量與一標準量做比較，因此測量的結果都必須包含數值與單位兩部分。例如我們記錄蚊子平均質量約為 1x10-5公斤。課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位一、一、時間、質量、長度的測量人類很早就發現時間週期性的概念，如晝夜變化、月的盈虧、和春夏秋冬的
10、四季輪替（圖1-15），或因為時間的不可逆，更珍惜計時的技術。課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位 為精確表示時間，早期是將地球上任一地點連續兩次正對太陽的時間間隔，定義為一太陽日。並將整年內測到的太陽日加以平均，稱為平均太陽日。而一平均太陽日定為24小時，1小時定為60分，1分定為60秒，因此1秒是一平均太陽日的86400分之1。課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位 近代科學家得知原子中的一些振動有極精確的週期性，也很容易在各國的實驗室中複製得到。1967年，國際度量衡會議再次定義將銫-133原子振動9,192,631,770次所需時間定義為1秒。這種由原子振動為基礎的時
11、間標準，不易受溫度、壓力等外在環境影響，有較好的恆定性（圖1-16）。課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位長度的測量是將被測長度與一標準長度做比較。1792年取經巴黎子午線由北極到赤道長度的一千萬分之一為標準長度，稱為一公尺（圖1-17）。圖1-17 十八世紀時，取北極經巴黎到赤道子午線長度的一千萬分之一為標準長度，稱為一公尺課本P.6物理量的測量與單位物理量的測量與單位1889年法國依此做了一支鉑銥合金標準尺（圖1-18），存放在法國 賽佛國際度量衡標準局中。1983年第十七屆國際度量衡會議中，將光速定為299,792,458公尺/秒，
12、而1公尺就是光在299,792,458分之一秒內於真空中所走過的長度。課本P.7物理量的測量與單位物理量的測量與單位 有些英語國家在長度測量上仍使用英制單位，英制單位和公制單位的關係為1吋2.54公分，1呎0.3048公尺；1公分0.3937吋，1公尺3.28呎。表1-1、表1-2為公制與英制的長度單位與換算關係。課本P.7物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.7物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.765物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.7物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.7物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.8物理量的測量與單位物理量的測量與單位 質
13、量的單位為公斤，其原始定義為在一大氣壓下溫度4時體積1公升的純水的質量，1889年第一屆國際度量衡會議採用的質量標準是一個鉑銥合金所製造的圓柱形公斤原器（圖1-19），它的質量便定義為一公斤。課本P.8物理量的測量與單位物理量的測量與單位並以鉑銥合金製成公斤原器作為標準，存放在法國 賽佛國際度量衡標準局。表1-4為質量的公制單位課本P.8物理量的測量與單位物理量的測量與單位表1-5為公制與英制質量單位轉換的關係。我國質量的最高標準鉑銥原級砝碼現存於新竹工業技術研究院的量測技術發展中心。課本P.8物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.8物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.8物理量的
14、測量與單位物理量的測量與單位課本P.9物理量的測量與單位物理量的測量與單位二、二、介紹國際單位制 當各國科技交流愈加頻繁熱絡，因為風俗民情差異造成的測量單位互有長短。1960年於巴黎第11屆國際度量衡會議，協議統一科學用單位，正式訂定了國際單位制，簡稱SI制。1971年第14屆國際度量衡會議採用七個基本單位。這些國際單位中文名稱、符號詳列如表1-6：課本P.9物理量的測量與單位物理量的測量與單位課本P.9物理量的測量與單位物理量的測量與單位 由於實際測量單位範圍很廣，所以將基本單位前加上字首，即可方便地將基本單位縮小或放大若干倍，茲將常用的字首與倍數列於表1-7：課本P.9物理量的因次與因次分
15、析物理量的因次與因次分析三、三、物理量的因次與因次分析 力學中可以直接量測其量值大小的如長度、質量、時間等，稱為基本量，這些基本量相互之間沒有關係、各自獨立。這些基本量的因次分別表示為：長度以L表示，質量以M表示，時間以T表示，稱為基本因次。課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析其他由基本量定義或組合的物理量稱為導出量，如：面積為長度乘以寬度，因次表示如下面積長度x寬度LxLL2 又如體積為長度乘以寬度乘以高度，因次表示如下體積長度x寬度x高度=LxLxLL3課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析 在物理學的任何等式中，常包含多個物理量的數學關係的組合，透過因次分析，最後每一項因次必須相同，方程式等號的左邊與右邊要有相同的因次。因此我們也可以利用因次分析來判斷計算的正確性或推論各物理量間的關係，而所有理論基礎導出的方程式都要具因次一致性。課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析課本P.10物理量的因次與因次分析物理量的因次與因次分析課本P.11
