物理学发展简史

一、古典物理学与近代物理学：

1、古典物理学：廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学，以巨观的角度研究物理，可分为力学、

热学、光学、电磁学等主要分支。

2、近代物理学：廿世纪以后(1900年卜朗克提出量子论后)所发展的物理学称为近代物理学，以微观的

角度研究物理，量子力学与相对论为近代物理的两大基石。

一、古典物理学对人类生活的影响：

1、力学：简单机械(杠杆、轮轴、滑轮、斜面、螺旋、劈) ……

2、光学：

(一)反射原理：

(1)平面镜：镜子……

(2)凹面镜：手电筒、车灯、探照灯……

(3)凸面镜：路口、商店监视镜……

(二)折射原理：

(1)凸透镜：放大镜、显微镜、相机……

(2)凹透镜：眼镜、相机……

3、热学：蒸汽机、内燃机、引擎、冰箱、冷(暖)气机……

4、电学：

(一)利用电能运作：一般电器用品，如：电视机、冰箱、洗衣机……

(二)利用电磁感应：发电机、变压器……

(三)利用电磁波原理：无线通讯、雷达……

二、近代物理学对人类生活的影响：

1、半导体：

(一)半导体：导电性介于导体和绝缘体间之一种材料，可分为元素半导体(如：硅、锗等)和化合物半

导体(如：砷化镓等)两种。

(二)用途：

(1)半导体制成晶体管，体积小、耗电量少，具有放大电流讯号功能。

(2)半导体制成二极管具整流能力。

(3)集成电路(IC)：

(A)1958年发展出「集成电路」技术，系利用长晶、蚀刻、蒸镀等方式于一小芯片上容纳上百万

个晶体管、二极管、电阻、电感、电容等电子组件之技术，而此电路即称为集成电路。

(B)IC之特性：体积小、效率高、耗电低、稳定性高、可大量生产。

(C)IC之应用：计算机、手机、电视、计算器、手表等电子产品。

(4)计算机信息科技之扩展大辐改变了人类的生活习惯，故俗称第二次工业革命。

2、雷射：

(一)原理：利用爱因斯坦「原子受激放射」理论，诱发大量原子由受激态同时做能态之跃迁并放射同

频率之光子，藉以将光加以增强。

(二)特性：聚旋光性好、强度高、光束集中、频率单一(单色光)。

(三)应用：

(1)工业上：测量、切割、精密加工……

(2)医学上：切割手术(肿瘤、近视)……

(3)军事上：定位、导引……

(4)生活、娱乐上：激光视盘、光纤通讯……

3、光纤：

(一)光纤：将高纯度石英熔融抽丝制成极细之圆柱体，柔软可挠曲，含内层(纤芯)及外层(包层)两层。

(二)原理：纤芯之折射率大于包层，光讯号以特定角度射入纤芯之一端后，因连续之全反射而传递至

另一端。

(三)特性：

(1)通讯容量大(频宽较大)，约为传统铜线之10倍以上。

(2)重量轻、价格便宜。

(3)传输过程中耗能低，利于长程传输。

(4)不受干扰，保密性佳。

(四)应用：通讯。

4、核能发电：

(一)核能：较大原子核发生分裂(核裂变，如：核弹、核电厂内部)或较小原子核发生融合(核聚变，

如：氢弹、太阳内部)时，因生成物质量减少而转变成能量，此能量称为核能。

(二)原理：质量与能量之转换遵守爱因斯坦狭义相对论中之「质能互换公式」：2E mc =。

(三)过程：利用铀235在可控制的情形下进行核分裂反应，产生之核能转变成热能使水变成水蒸气后，

推动发电机产生电能，【核能⇒热能⇒动能⇒电能】。

5、超导体：

(一)超导体：1908年翁内斯发现部份物质于某特定温度(临界温度c T )以下，其电阻完全消失，此时

此物称为超导体。

(二)特性：超导体具有「零电阻」及「完全反磁性」之特性。

(三)高温超导体：1987年朱经武、吴茂昆发现钇钡铜氧化物之临界温度约为92K ，高于液态氮之沸点

77K ，称为「高温超导体」。

一、物理量：

1、定义：物理学上所使用的量。

2、分类：

(一)依有无方向性而分：

(1)向量：兼具大小及方向性者，如：速度、力……

(2)纯量：仅具大小无方向性者，如：体积、时间、功……

(二)依定义方式而分：

(1)基本量：由基本概念定义而出之物理量，共有时间、长度、质量、电流、温度、发光强度(光度)、

物质的量(物量)七种。

(2)导出量：由基本量所定义出之物理量，如：体积、面积、速度等。

(3)物理学(力学)

上最常用的三个基本量：时间、长度、质量。

二、测量：

1、定义：将待测物理量与一标准量做比较的过程。

2、结果：⎧⎧⎫⎪⎨⎬⎨⎩⎭⎪⎩

準確值

數值有效數字測量結果一位估計值單位 3、科学记号：将一数字化为n a 10(1a 10)⨯≤<之形式，称为科学记号。

4、数量级：一数化为科学记号后

(一)若a 3.16≥≈，则其数量级为n 110+

(二)若a 3.16<≈，则其数量级为n

10

三、单位：

1、定义：物理量之比较标准。

2、条件：单位须具「恒常性」及「方便性」。

3、SI 单位：国际度量衡局选定七个基本量之单位(基本单位)作为单位系统之基础，简称SI 单位，亦称

为公制单位。

4

5(一)意义：置于单位前方，用以表示极大或极小物理量之符号。

(二

1、时间之测量及单位：

(一)秒之定义：

(1)1967年前：

(A)定义：以太阳日为标准。地球上任一点连续2次对正太阳之时间间隔称为太阳日，一年内太

阳日之平均值称为平均太阳日，再将一平均太阳日分为24小时，1小时分为60分，1

分分为60秒，故1秒186400

=平均太阳日。 (B)缺点：(a)平均太阳日逐年改变。

(b)使用不便。

(2)1967年后：原子间之振动具良好之恒常性，故国际度量衡局于1967年会议中，选定了以铯原子

之某一固定振动次的时间定义为1秒，此标准沿用至今。

(二)单摆之等时性：

(1)当单摆之摆角不大(摆角5<︒)时，其周期T 2g =只与摆长有关。

(2)周期T 2=秒之单摆称为秒摆，其摆长1m ≈

(三)半衰期(半生期τ)：

(1)定义：放射性物质衰变数量达原来总数之一半(即剩下一半尚未衰变)所需的时间，称为半衰期

或半生期。

(2)公式：设半衰期为τ之某放射性物质原数量为0N ，经过时间t 后，剩下数量为N ，则：

τ=t 2

10)(N N (3)应用：利用物体所含C 14之浓度可鉴定其年代。

2、长度之测量及单位：

(一)公尺之定义：

(1)18世纪：以北极经巴黎至赤道的子午线长之一千万分之一为1公尺，并以此标准制作了一标准

尺(铂铱合金棒)。

(2)1889年后：因标准尺长之一千万倍不等于子午线长，遂改以标准尺为1公尺之标准，其缺点为

易受环境影响。

(3)1961年：国际间同意将公尺之标准改订为氪的同位素所发出某一特定光的波长的1650763.73倍。

(4)1983年：国际度量衡会议决议将光在真空中分之一秒所行之距离定义为1公尺。

(二)常用特殊长度单位：

(1)光年(L.Y.)：光在一年中所行之距离159.4610m ≈⨯。

(2)天文单位(A.U.)：地球绕日公转轨道之平均半径111.4910

m ≈⨯(500光秒)

(3)埃(o A )：o 101A 10m -≈，常用于表示原子之大小。

3、质量之测量及单位：

(一)公斤之定义：

(1)1889年前：

(A)定义：定义4C ︒、1公升之纯水其质量为1公斤。

(B)缺点：(a)纯水取得不易。