圖解物理學更新版 (電子書)

推薦序

以圖像建立物理觀念 以想像力登上物理殿堂.........................2

作者序

愉快學習物理　體驗物理美妙之處............................................4

第1章

探訪物理的世界

01 解答「為什麼」即物理的精髓........................................... 12

02 為何物理中一定要有數學式............................................... 14

03 支撐物理的五大支柱........................................................... 16

04「物理入門」的第一道關卡──了解原子的構造............ 18

05 以支配自然的四種作用力為主軸來學習「物理學」...... 20

06 物理思考的原點──「克卜勒定律」............................... 22

07「萬有引力定律」的推導過程............................................ 24

08 好好地融會貫通「場」的概念........................................... 26

Column1

物理天才的誕生....................................................... 28

第2章

力學為物理之鑰

01 物理量的單位只有四種........................................................ 30

02 力學能藉由「向量」以圖像表現........................................ 32

03 較重的物體會落下得比較快嗎........................................... 34

04 力與加速度及質量的關係................................................... 36

05 運動方程式的發現大幅地改變了物理............................... 38

06 「慣性定律」就是「惰性定律」？................................... 40

07 無論何時，力都是成雙成對的........................................... 42

08 偏西風的產生是受到地球為球形的影響........................... 44

09 有苦就有樂──能量守恆定律............................................ 46

10 測量能量的大小................................................................... 48

11 即使物體相撞，動量還是維持不變................................... 50

12 向心力是萬有引力的仲介................................................... 52

13 藉由萬有引力定律來思考圓周運動................................... 54

Column2

為什麼萬有引力是無所不能的？........................... 56

第3章

探討波與光

01 在空間中進行傳遞的「波」............................................... 58

02 聲音與光同樣是波卻完全不同！....................................... 60

03 為何會發生「都卜勒效應」............................................... 62

04 愈大型的樂器聲音愈低沉................................................... 64

05 自然界中充滿了共鳴........................................................... 66

06 光的特性就是「急性子」................................................... 68

07 光的折射原理....................................................................... 70

08 鑽石的寶貴價值來自「全反射」....................................... 72

09 偏光濾鏡使水中之物也能清楚看見................................... 74

10 可以通過狹縫的半圓形──波的繞射............................... 76

11 同心協力就是一種美？波的各種干涉現象...................... 78

Column3

為何天空會被晚霞染紅...........................................80

第4 章

「熱力學」一點也不難

01 當分子的運動愈來愈激烈，固體與液體就會變成氣體.. 82

02 水既不容易變熱也不容易冷卻........................................... 84

03 溫度的高低即表示分子運動的程度................................... 86

04 溫度的最低下限──「絕對零度」................................... 88

05 壓力可用分子的質量、速度與密度來表示...................... 90

06 分子的動能與絕對溫度成正比........................................... 92

07 能量可以轉變成各種形式................................................... 94

08 熱力學第一定律即「能量守恆定律」............................... 96

09 獲得的熱能有兩種瓜分方式............................................... 98

10 在無火的情況下點火──絕熱變化.................................100

11 覆水難收即「熱力學第二定律」.....................................102

12 熵只會不斷增大.................................................................104

Column4

為什麼保溫瓶裡的熱水不會冷掉？.......................106

第5 章

到底什麼是「電」？

01「電」是因為缺乏電子而產生..........................................108

02 靜電作用力非常地強大.....................................................110

03 在電的世界裡，占據高點同樣較為有利.........................112

04 當相同的電荷互相靠近時…….........................................114

05 原子核是儲存電能的罐頭.................................................116

06 電也會受到來自空間的作用力.........................................118

07 空間在肉眼不可見之下改變了.........................................120

08 金屬會散發出光澤是因電子快速移動所致....................122

09 在汽車裡就算打雷也很安全.............................................124

10 電容器是儲存電的倉庫.....................................................126

11 如何儲存大量的電.............................................................128

12 電阻是連接寬廣水道的細小水管.....................................130

13 電的流動──電流.............................................................132

14 載運砂石的觀念也可以用來說明歐姆定律....................134

15 從電能到熱能.....................................................................136

Column5

電在傳送時會耗損！？.........................................138

第6章

一窺電磁的世界

01 磁鐵的N極與S極為何分不開？.......................................140

02 磁力可證明移動中的物體會「縮小」.............................142

03 利用磁鐵來產生電.............................................................144

04 線圈會在磁場中儲存能量.................................................146

05 即使沒有移動的電荷，電流還是存在！？....................148

06 電磁波是由振動的電場所產生！.....................................150

07 藉由勞倫茲力來了解馬達的作用原理.............................152

08 磁浮列車是如何前進的.....................................................154

09 以電容器讓磁場旋轉！.....................................................156

Column6

以微波爐來加熱食物............................................ 158

附錄 基本粒子的世界充滿趣味！

01 光也具有粒子的特性.........................................................160

02 不接受分散能量的電子.....................................................164

03 無論多麼巨大的物體都擁有波的特性.............................166

04 兩者不可兼得──測不準原理.........................................168

05 基本粒子可以向上帝借用能量.........................................169

06 測不準原理使原子得以存在.............................................172

索引...........................................................................................174

由圖像建立物理觀念

以想像力登上物理殿堂

文◎牟中瑜（國立清華大學物理系教授）

許多物理重大突破均源自生動的想像

圖像式思考是想像的重要延伸

物理學自十七世紀後即有突破性的發展，在一些領域上的進展，如牛頓力學、電磁學、相對論與量子力學的發展，不僅將人類的知識向前推進，並帶動了科技的進步。許多科技的產品來自物理學的進展，例如人造衛星的發射使用了牛頓力學與牛頓重力定律、用來接收電磁波的電視機是電磁學的最佳說明實例、全球衛星導航系統使用了相對論，而電腦的發明則來自以量子力學為基礎的半導體物理。

雖然這些科技的產品已直接影響到人類的日常生活，然而多數的人並不清楚其背後的物理，而當提到物理時，仍然覺得那是一個距離遙遠、困難且令人生畏的學科。造成這樣的印象，部分的原因是大多數與物理有關的讀本都太嚴肅並缺乏想像的空間。實際上，物理學上許多重要的突破都來自超凡與生動的想像，而非來自機械制式的想法。

近代最著名的例子就是愛因斯坦，當愛因斯坦在十六歲──相當於目前的高中一年級時──就已經想像騎在光束上會見到的景象，對這個問題的持續關注與執著思考，最後導致他發現了相對論。除了想像在光束上馳騁外，愛因斯坦更經常藉由思想上的實驗來檢驗他的想法，因此他聲稱想像比知識更為重要。而本書所採用的圖像式思考正是想像的重要延伸，是學習物理學的一個重要方式，但卻也是過去國內物理教育比較欠缺的。

 

數學公式非學習物理的目的而是追求圖像式思考的重要媒介

物理學是講求精確的科學，而講求精確可說是造成物理學困難而令人生畏之印象的主要原因。然而為了精確，物理學中常需要使用數學式子來精確陳述重要的結論或結果，因此使用數學或以數學推導在學習物理中是不可避免的。不過，數學的使用卻往往成為多數人學習物理學的障礙，以為使用數學是唯一了解或說明物理的途徑。

這樣的認知常常使許多人在學習物理時，注意力集中在數學的推導而被數學牽著走，忽視了物理圖像，因而往往在學習一些課題後，無法掌握這些課題的要點。實際上，為了精確，物理學雖然大量使用數學，但其目的在協助我們得到所謂的物理圖像，數學的推導只是輔助推導精確的結果。這些所得到的物理圖像可說是圖像式思考的基礎，指的是以生動圖像的方式理解精確的結果，因此在經過必需的數學推導之後，一定要再回顧整個推導的邏輯，並勾畫出問題或結論所獲得的圖像，才能掌握重點，比較有效地學習物理。

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本書來自日本，為針對業餘的物理讀者所寫的一本高中程度的物理讀本。除了以口語式的說明取代直接的數學式，作者透過使用大量而生動的圖片，讓讀者知道每一單元的重點及其圖像。書中內容先大致說明了物理學的概要、架構以及宇宙觀，再透過之後的章節，循序漸進地介紹四大物理基礎領域。建議讀者讀完全書後，可再重讀剛開始的章節，如此可更有助於了解物理學的全貌。此外，本書主要特點是在文字說明的同時，一定配合圖片的解說，充分掌握了學習物理時需注重「圖像式思考」的要點，相信讀者在圖文合併的解說下，都能夠清楚地掌握到物理的重點。

了解物理學是掌握現代科技的第一步，希望這本書的引用，能帶動國內物理界以更活潑生動的方式來介紹與物理相關的課題，打破物理是一門生硬學科的印象，讓更多的人能體會到物理學的奧妙。