物理專文

淺談『狹義相對論』

 淺談『狹義相對論』

前言

  一提起『愛因斯坦』多數人就會聯想到他所發展的相對論。其實愛因斯坦因為對於『光電效應』的解釋而獲得諾貝爾物理獎。對於物體的比熱、布朗運動...等都有很大的貢獻。相對論之所以讓人印象深刻是因為  很多相對論所預測推論的結果和一般人固有的想法有很大的出入。
其實想一想,當十六、十七世紀時代的人總認為地球是宇宙的中心,看著日昇日落,結果有人卻說 地球繞著太陽轉動。甚至更早人們以為地球是個有限的平面時,卻有人說地球是圓的。這些人的說法在當時也都被視為『奇怪不易』接受的想法。
  相對論讓我們對『時間』與『空間』有另一種的體會與想法。 時間的流逝不再是絕對的,有相對運動的不同觀察者對於時間的改變有不同的見解。連長度的概念也不是絕對的,有相對運動的不同觀察者對於同一物體長度也有不同的看法。唯獨真空中行進的光,不論對哪個觀察者而言,其速度都是相同的。
 只是以上的效應只有在相對速度接近光速時,才容易觀察出其差異性。一般而言其差別都遠小於實驗誤差而不易觀測。
  狹義相對論探討以等速度相對運動觀察者間對於物理量測量值間的關係。而推論出著明的 E=m c2
說明質量與能量是相同的物理量,只是從不同的角度去描述與觀察而已。
  廣義相對論則探討觀察者間有加速度運動(或者說在重力場內)運動時,彼此對時間與空間的不同體會以及相同物理量間不同的見解與詮釋。
  牛頓當初寫下了  F = m a  
  因為 F 被用過了, 
愛因司坦 寫下了 E = m b 不對
                  E = m c 沒創意
                  E = m c2 就這樣吧!
  想試試看嗎?你想先從哪個字母開始呢!開玩笑嗎? :-)
                  D = ...

如果速度的極限--光速只有 10 m/s

如果速度的極限--光速只有 10 m/s

 


炎熱的六月天, 在這悶熱的教室裡.除了電風扇的規律聲音外. 只剩下教授一人在講台上 還是很有勁的 講授 他的 相對論.

為什麼教室裡不裝個冷氣機呢!一節課過了大半, 大多是 左耳進 右耳出. 朦朧中只記得速度有一個極線-- 光速, 任何運動的物體都不能超過它

當物體運動的速度 接近光速時, 沿著運動方向 長度的測量會縮短, 時鐘會便慢...

這些似乎都與 一般常識 相衝突. 我是在作夢嗎!

而光速的大小等於 ...漸漸的眼皮感覺越來越沈重.

當我再度睜開眼睛時, 我怎麼到了一個陌生的城市. 和一般的城市沒多大差別.

物理的足跡

物理的足跡

 


西元前320年 亞里士多得解說 物體運動的現象:

不受力物體會趨於靜止,重者先落地

地球、月亮與太陽的大小

地球、月亮與太陽的大小

 


科學的興起 主要在於 人們將所欲探討事物的性質 加以量化,

測量的精密度 也標示著 科學的進步。

凱文(Kelvin)曾說:

" 如果你無法將所探討的 加以測量並用數字表示,表示你對它 瞭解的有限。

如果你能夠加以量化並測量,表示你對它 已經開始有些瞭解"。

我們來回溯一下,古代的人們是 如何估計 地球、月亮與太陽的大小的呢?

以下說明時會列出參考數據,如果你真的有心想 學習,請千萬親自好好算一下!

(你可以坐在駕駛後面觀摩開車 10年,還是不會開車,只有親自學習才能學會)

 

親愛的!我把孩子縮小了!--- 尺度的物理效應 (scaling)

親愛的!我把孩子縮小了!--- 尺度的物理效應 (scaling)

 


科幻電影中, 有小人國的世界.  若是有另一個獨立的太陽系, 和我們的太陽系近乎相同. 整個巨觀物體的尺度都以等比例尺度縮小(例如十分之一). 但微觀尺度例如物質的結構,密度等都不變. 一切的生活情形還會都一樣嗎?

  1. 地表的重力場強度還會一樣嗎?
  2. 地球繞日的週期會改變嗎?
  3. 舉重能力還會一樣嗎?
  4. 若是反過來, 一切以等比例尺度放大, 又如何呢?
  5. 若是地球上, 存在有小人國(重力場不變), 那又如何呢?

讓我們由另外一個角度再思考一些問題? 比較一下, 體型較小以及體型較大的動物彼此之間的差異性.

  1. 為何地球上的小動物, 例如 : 螞蟻可以背負較本身重量大很多的東西, 行動看起來輕快很多.而體型較大的動物,例如大象, 行動起來較緩慢?
  2. 為何人們可以輕易的由水中站起來, 爬上岸. 但是蒼蠅等小動物, 要是全身浸水就不太容易行動? 甚至會被淹死!
  3. 為何沒有體型比老鼠小很多的溫血動物?為何溫血小動物整天吃個不停?
  4. 為何螞蟻從桌面上掉下, 不會被摔死. (桌面高度是螞蟻長度的數百倍)
    人若從三層樓掉下來, 不死也殘廢. 可是小嬰孩比較容易存活。
    越南航空飛機失事,只有一小孩倖存,和這有關嗎?
  5. 體型大的動物(例如:大象)和體型小的動物(例如:老鼠,小鳥)
    所發出的聲音,(頻率上)有何差別?為什麼呢?

你和我共同向自然界借用的原子

你和我共同向自然界借用 的原子

 


我們周遭的所有物體 -- 衣服,石頭,肥皂 ... 你所能夠『看到』的任何物體,

都是由 一個個的『原子』所組成的。

到目前為止,自然界所觀察到的原子共有 112 種(稱為化學『元素』)。

其中只有 90 種是自然存在的。(參考 化學元素週期表

其餘較重的元素都是人工在實驗室內(藉由加速器或反應爐)產生的,

但是它們都屬於 『半衰期』很短的不穩定『元素』,無法自然的長期存在。

宇宙中的所有元素以 『氫』原子所佔比例最高(超過 90 %),

即使其他的原子也都是在極高溫,高壓的情況下由 『氫』原子『融合』而成的。

導體有維持恆溫的特性

一般導體的電阻 會隨著溫度的增加而使得電阻值也增加
物理上定義 增加單位溫度時 電阻增加的百分比稱為該電阻的溫度系統α
R(T)= R(T0) (1+α (T-T0))

因為一般導體電阻的溫度係數是正值 因此使得導體達到平衡溫度後會產生自動維持溫度的機制

也因此很多電器使用前都會先開機一段時間 讓其達到穩定的狀態

讓我們想像原本一個點亮的燈泡 於某溫度T時 達到熱平衡,

若是因為燈泡或房間散熱不良 燈泡產生的熱量不易散失 使得環境溫度升高了

燈泡本身溫度的上升會使的電阻因此而略增 因為我們使用的是固定電壓的電源

因此通過燈泡的電流會因電阻的增加而減少 於是燈泡產生的熱量便會減少 如此環境的溫度也會略降

若是因為不知名原因 四周環境的溫度降低於平衡的溫度

則燈泡溫度的降低會使得燈泡電阻減少 於是通過更多電流 產生更多熱量而使得溫度回升

因此燈泡的溫度會自動維持平衡的溫度 這都歸因於燈泡電阻的溫度係數是正值

實驗數據的處理與分析

實驗數據的處理與分析

 


物理是個實驗科學,免不了要從事測量。很多同學常常疑惑的是

    不知道如何正確的分析與處理實驗的數據。

希望本單元能對你(妳)有所幫助!

為了減少本網頁篇幅,歡迎繼續參考 物理實驗 相關網頁。

 


誤差 = 測量值 - 真值

好像很有道理,又好像在講廢話!

難道就為了要 知道測量的誤差嗎?

就是因為不知道 物理量的真值才要測量。

那! 誤差的定義 又有什麼用呢?

怎樣學習物理個人的小建議

怎樣學習物理個人的小建議

 


霧裡?悟理!物理 :)

如何對待疑問和不確定性,證據服從怎樣的法則。

如何去思考事物,做出判斷。

如何去區別真偽和表面與實際的現象。

對於物理知識的掌握並需自己建構 物理的內容架構,

能應用知識於實際操作中,體認科學的精神與方法。

透鏡成像繪圖法

透鏡成像 繪圖法

 


歡迎參考 薄透鏡與面鏡成像厚透鏡 Java 動畫

 


凸透鏡 (稍等一會兒,底下圖片會變換)

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