物理学与测量市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、 物理學與測量物理學與測量University PhysicsUniversity PhysicsChapter 1Chapter 111SlideSlide第1页 Key Concepts Key Concepts1-11-1物物理理學學與與自自然然科科學學物物理理學學與與自自然然科科學學1-21-2測測量量測測量量1-31-3物物理理量量因因次次與與因因次次分分析析法法物物理理量量因因次次與與因因次次分分析析法法 22SlideSlide第2页 1-11-1 物理學與自然科學物理學與自然科學物理學是自然科學一支,而所謂自然科學則是物理學是自然科學一支,而所謂自然科學則是物理學是自然科學一支
2、,而所謂自然科學則是物理學是自然科學一支,而所謂自然科學則是指對自然界各種現象、事物作有系統研究學問指對自然界各種現象、事物作有系統研究學問指對自然界各種現象、事物作有系統研究學問指對自然界各種現象、事物作有系統研究學問。廣義科學係指經由觀察、實驗、分析、歸納、廣義科學係指經由觀察、實驗、分析、歸納、廣義科學係指經由觀察、實驗、分析、歸納、廣義科學係指經由觀察、實驗、分析、歸納、演繹等過程所建立有系統、有組織知識與學問,演繹等過程所建立有系統、有組織知識與學問,演繹等過程所建立有系統、有組織知識與學問,演繹等過程所建立有系統、有組織知識與學問,同時也涵蓋了求得此知識方法,比如:怎样做同時也涵蓋
3、了求得此知識方法,比如:怎样做同時也涵蓋了求得此知識方法,比如:怎样做同時也涵蓋了求得此知識方法,比如:怎样做合理假設、怎样提出一個完整有效模型、怎样合理假設、怎样提出一個完整有效模型、怎样合理假設、怎样提出一個完整有效模型、怎样合理假設、怎样提出一個完整有效模型、怎样正確分析所獲數據等等,都已是隸屬於較廣義正確分析所獲數據等等,都已是隸屬於較廣義正確分析所獲數據等等,都已是隸屬於較廣義正確分析所獲數據等等,都已是隸屬於較廣義科學定義內範圍。科學定義內範圍。科學定義內範圍。科學定義內範圍。33SlideSlide第3页科學可分為科學可分為科學可分為科學可分為自然科學自然科學自然科學自然科學及及
4、及及社會科學社會科學社會科學社會科學兩大類。兩大類。兩大類。兩大類。自然科學指是探索與自然界中物質或能量相關之性自然科學指是探索與自然界中物質或能量相關之性自然科學指是探索與自然界中物質或能量相關之性自然科學指是探索與自然界中物質或能量相關之性質學問,比如物理學、化學或生物學、質學問,比如物理學、化學或生物學、質學問,比如物理學、化學或生物學、質學問,比如物理學、化學或生物學、等屬之;等屬之;等屬之;等屬之;而而而而社會科學則研究與人類社會中物質或精神文明相關社會科學則研究與人類社會中物質或精神文明相關社會科學則研究與人類社會中物質或精神文明相關社會科學則研究與人類社會中物質或精神文明相關問題
5、,比如心理學、經濟學、問題,比如心理學、經濟學、問題,比如心理學、經濟學、問題,比如心理學、經濟學、等等均屬之。等等均屬之。等等均屬之。等等均屬之。自然科學自然科學自然科學自然科學按研究對象可分類成按研究對象可分類成按研究對象可分類成按研究對象可分類成物理科學物理科學物理科學物理科學(physicalsciencephysicalscience)及及及及生物科學(生物科學(生物科學(生物科學(lifelifesciencescience)兩大領域兩大領域兩大領域兩大領域44SlideSlide第4页物理學是自然科學基礎學科,所以,物理學所物理學是自然科學基礎學科,所以,物理學所物理學是自然科學
6、基礎學科,所以,物理學所物理學是自然科學基礎學科,所以,物理學所探究問題,主要是有關物質性質、組成物質基探究問題,主要是有關物質性質、組成物質基探究問題,主要是有關物質性質、組成物質基探究問題,主要是有關物質性質、組成物質基本要素及物質間最基本交互作用特征與形式。本要素及物質間最基本交互作用特征與形式。本要素及物質間最基本交互作用特征與形式。本要素及物質間最基本交互作用特征與形式。它所研究範圍從小至微觀粒子組成及性質,到它所研究範圍從小至微觀粒子組成及性質,到它所研究範圍從小至微觀粒子組成及性質,到它所研究範圍從小至微觀粒子組成及性質,到大至龐大宇宙構成及來源,它不僅包含對自然大至龐大宇宙構成
7、及來源,它不僅包含對自然大至龐大宇宙構成及來源,它不僅包含對自然大至龐大宇宙構成及來源,它不僅包含對自然現象所研究得到有系統知識,同時也包含探索現象所研究得到有系統知識,同時也包含探索現象所研究得到有系統知識,同時也包含探索現象所研究得到有系統知識,同時也包含探索這些知識方法。這些知識方法。這些知識方法。這些知識方法。55SlideSlide第5页1-21-2 測量測量物理學是一門實驗科學,它所探討主要是自然物理學是一門實驗科學,它所探討主要是自然物理學是一門實驗科學,它所探討主要是自然物理學是一門實驗科學,它所探討主要是自然界中發生現象。界中發生現象。界中發生現象。界中發生現象。為了仔細探究
8、這些自然現象所包含事理,常為了仔細探究這些自然現象所包含事理,常為了仔細探究這些自然現象所包含事理,常為了仔細探究這些自然現象所包含事理,常需要在特定場所及時間、控制好環境及裝需要在特定場所及時間、控制好環境及裝需要在特定場所及時間、控制好環境及裝需要在特定場所及時間、控制好環境及裝置下安排實驗,反覆做詳細觀察。觀察需要置下安排實驗,反覆做詳細觀察。觀察需要置下安排實驗,反覆做詳細觀察。觀察需要置下安排實驗,反覆做詳細觀察。觀察需要測量、整理、歸納及分析,測量得越準確,則測量、整理、歸納及分析,測量得越準確,則測量、整理、歸納及分析,測量得越準確,則測量、整理、歸納及分析,測量得越準確,則往後
9、整理、歸納及分析就越轻易。往後整理、歸納及分析就越轻易。往後整理、歸納及分析就越轻易。往後整理、歸納及分析就越轻易。測量時常需要將一些物理量做數量上表示或測量時常需要將一些物理量做數量上表示或測量時常需要將一些物理量做數量上表示或測量時常需要將一些物理量做數量上表示或 比比比比較,但比較兩個或多個物理量,則需要這些較,但比較兩個或多個物理量,則需要這些較,但比較兩個或多個物理量,則需要這些較,但比較兩個或多個物理量,則需要這些物物物物理量間有共同基準,這共同基準稱為理量間有共同基準,這共同基準稱為理量間有共同基準,這共同基準稱為理量間有共同基準,這共同基準稱為單單單單 位位位位(unituni
10、t)。所以,所以,所以,所以,測量結果就需要包含單位及數值測量結果就需要包含單位及數值測量結果就需要包含單位及數值測量結果就需要包含單位及數值。66SlideSlide第6页 1-2-11-2-1時間測量與時間單位時間測量與時間單位11平均太陽日平均太陽日平均太陽日平均太陽日=24=24小時小時小時小時=24=24 6060分分分分=24=24 6060 6060秒秒秒秒 11秒秒秒秒=86400=86400分之一個分之一個分之一個分之一個平均太陽日平均太陽日平均太陽日平均太陽日 物物物物理理理理上上上上比比比比較較較較準準準準確確確確定定定定義義義義是是是是以以以以平平平平均均均均太太太太陽
11、陽陽陽日日日日做做做做為為為為時時時時間間間間測量基準。測量基準。測量基準。測量基準。所所所所謂謂謂謂太太太太陽陽陽陽日日日日指指指指是是是是太太太太陽陽陽陽連連連連續續續續兩兩兩兩次次次次正正正正對對對對地地地地球球球球上上上上某某某某一一一一處處處處所所所所經經經經歷歷歷歷時時時時間間間間,我我我我們們們們若若若若將將將將一一一一年年年年中中中中全全全全部部部部太太太太陽陽陽陽日日日日平平平平均均均均起起起起來來來來,就就就就成成成成了了了了所所所所謂謂謂謂平平平平均均均均太太太太陽陽陽陽日日日日。平平平平均均均均太太太太陽陽陽陽日日日日即即即即可可可可作作作作為為為為時時時時間間間間單單
12、單單位位位位。從從從從平平平平均均均均太太太太陽陽陽陽日日日日即即即即可可可可定定定定義義義義小時、分和秒,即:小時、分和秒,即:小時、分和秒,即:小時、分和秒,即:77SlideSlide第7页 很早年代,人們即以沙很早年代,人們即以沙漏(圖漏(圖1-1)作為標準)作為標準計時工具,計時工具,圖圖1-1沙漏沙漏圖圖1-2 機械鐘機械鐘單擺單擺也是一種簡單而實也是一種簡單而實用工具,当前很多實際用工具,当前很多實際計時工具,仍是根據單計時工具,仍是根據單擺原理製成,比如機械擺原理製成,比如機械鐘(圖鐘(圖1-2)。)。第一個發現小擺幅單擺第一個發現小擺幅單擺週期是固定科學家是週期是固定科學家是
13、伽伽立略立略,他是在上教堂時,他是在上教堂時候,無意中發現到教堂候,無意中發現到教堂大吊燈有規律來回振盪大吊燈有規律來回振盪而發現。而發現。88SlideSlide第8页近近代代物物理理研研究究,我我們們得得知知原原子子中中有有一一些些振振動動含含有有相相當當固固定定頻頻率率,所所以以這這些些原原子子每每一一次次振振動動會會有有固固定定時時間間,這這種種時時間間長長短短由由原原子子內內部部構構造造所所決決定定,不不受受外外界界環環境境如如溫溫度度、壓壓力力等等影影響響,所所以以它它有有較較好好恆恆定定性性。用用這這種種原原理理製製成成計計時時器器稱稱為為原原子子鐘鐘(如圖(如圖1-3)。)。圖
14、圖1-3時間標準器時間標準器原子鐘原子鐘(此鐘当前置於(此鐘当前置於桃園桃園電信研究所電信研究所內)內)在在l967年年國國際際度度量量衡衡會會 議議 上上 選選 定定 了了 以以 銫銫(Cesium)原原子子某某一一固固定定振振動動做做標標準準,以以此此振振動動 9,192,631,770 次次所所需需時時間間定定義義為為1秒秒,此一標準一直沿用至今。此一標準一直沿用至今。99SlideSlide第9页 最最近近幾幾年年來來雷雷射射冷冷凍凍術術(lasercooling)被被應應用用到到原原子子鐘鐘,大大大大改改進進了了原原子子振振動動頻頻率率量量測測技技術術,原原子子鐘鐘準準確確度度大大增
15、增,誤誤差差已已從從天天天天1011秒秒被被改改進到進到1016秒。秒。由於時間測量準確度大增,也影響了長度測量。由於時間測量準確度大增,也影響了長度測量。最最近近長長度度標標準準訂訂定定,已已改改由由可可極極精精確確測測量量光光速速值值及及時時間間間間隔隔來來訂訂定定了了。表表1-1列列出出一一些些與與我我們們日日常生活有關時間。常生活有關時間。1010SlideSlide第10页 表表1-1一些已測得時間一些已測得時間時間間隔時間間隔秒秒快速基本粒子穿過中等原子核之時間快速基本粒子穿過中等原子核之時間2 1023地球年齡地球年齡1.3 1017金字塔年齡金字塔年齡1.2 1011人類平均壽
16、命(台灣)人類平均壽命(台灣)2 109地球公轉週期(一年)地球公轉週期(一年)3.1 107地球自轉週期(一天)地球自轉週期(一天)8.6 104人造衛星週期人造衛星週期5.1 103自由中子半衰期自由中子半衰期7.0 102人類正常心跳週期人類正常心跳週期8.0 101A調音叉週期調音叉週期2.3 103 介子半衰期介子半衰期2.2 106波長波長3公分之微波振盪週期公分之微波振盪週期1.0 1010分子轉動週期分子轉動週期1 1012中性中性 介子半衰期介子半衰期2.2 10161MeV 射線振盪週期(計算值)射線振盪週期(計算值)4 10211111SlideSlide第11页 1-2
17、-21-2-2長度測量與單位長度測量與單位 最最最最早早早早國國國國際際際際公公公公認認認認長長長長度度度度單單單單位位位位標標標標準準準準是是是是在在在在巴巴巴巴黎黎黎黎國國國國際際際際度度度度量量量量衡衡衡衡局局局局所所所所保保保保留留留留一一一一支支支支鉑鉑鉑鉑銥銥銥銥合合合合金金金金棒棒棒棒,它它它它在在在在攝攝攝攝氏氏氏氏零零零零度度度度時時時時長長長長度度度度訂訂訂訂為為為為 11公公公公尺尺尺尺。這這這這支支支支標標標標準準準準公公公公尺尺尺尺長長長長度度度度,原原原原來來來來是是是是以以以以從從從從地地地地球球球球北北北北極極極極經經經經巴巴巴巴黎黎黎黎到到到到赤赤赤赤道道道道
18、子子子子午午午午線線線線長長長長度度度度千千千千萬萬萬萬分分分分之之之之一一一一,作作作作為為為為標標標標準準準準公公公公尺尺尺尺。並並並並依依依依此此此此做做做做了了了了一一一一個個個個鉑鉑鉑鉑銥銥銥銥合合合合金金金金標標標標準準準準尺尺尺尺,將將將將此此此此標標標標準準準準尺尺尺尺上上上上兩兩兩兩個精細刻度間距離定義為個精細刻度間距離定義為個精細刻度間距離定義為個精細刻度間距離定義為 11公尺公尺公尺公尺。這這這這個個個個標標標標準準準準尺尺尺尺放放放放在在在在法法法法國國國國 塞塞塞塞佛佛佛佛(SevresSevres)國國國國際際際際度度度度量量量量衡衡衡衡標標標標準準準準局局局局中中
19、中中。後後後後來來來來再再再再經經經經精精精精密密密密測測測測量量量量發發發發現現現現上上上上述述述述標標標標準準準準公公公公尺尺尺尺,其其其其實實實實與與與與所所所所規規規規定定定定子子子子午午午午線線線線長長長長度度度度一一一一千千千千萬萬萬萬分分分分之之之之一一一一倍倍倍倍並並並並不不不不完完完完全全全全相相相相符符符符,大大大大約約約約有有有有 0.0296%0.0296%誤誤誤誤差差差差,而而而而這這這這種種種種標標標標準準準準也也也也有有有有其其其其缺缺缺缺點點點點,因為它易受到周圍溫度影響產生誤差。因為它易受到周圍溫度影響產生誤差。因為它易受到周圍溫度影響產生誤差。因為它易受到周
20、圍溫度影響產生誤差。1212SlideSlide第12页 在在1961年年,國國際際間間同同意意將將公公尺尺標標準準,改改訂訂為為氪氪同同位位素素所所發發出出某某一一特特定定光光波波長長1,650,763.73倍倍,這個定義當然是由原先標準公尺定義而來。這個定義當然是由原先標準公尺定義而來。圖圖1-4所所表表示示為為用用來來制制訂訂標標準準公公尺尺氦氦氖氖雷雷射射。但但因因長長度度測測量量精精密密度度比比不不上上時時間間測測量量精精密密度度,而而且且真空中光速也可測得非常準確,真空中光速也可測得非常準確,圖圖1-4長度標準器長度標準器氦氖雷射(此氦氖氦氖雷射(此氦氖雷射当前置於雷射当前置於新竹
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