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為什麼天空是藍的？　〜通往物理的門扉〜　前言

你知道全世界的人們在Google上最常搜尋的「why is ~（為什麼）」是什麼嗎？答案是

Why is the sky blue?（為什麼天空是藍色的？）

根據2019年的數據，完全相同的問題每年大約會被搜尋360萬次。如果連問法稍有不同但內容相同的問題以及英文以外的語言也一併算入，搜尋次數應該還要多得多。
實際上，小孩子經常對父母拋出「為什麼天空是藍色的？」或「為什麼海是藍色的？」這類單純的疑問，而被問到這個問題的多數家長大概都被問倒，才跑去上網搜尋。順帶一提，天空是藍色的原因跟大海是藍色的原因不一樣。前者是因為光的散射（第87頁），後者是因為光的反射（第53頁）導致（詳細內容會之後會解釋）。
多虧艾薩克・牛頓（1642－1727）等人的研究，人類才得以弄清光的這些性質（散射和反射），而這是17世紀後半發生的事。然而，在這之前的時代，小孩子們理應也會萌生「為什麼天空是藍色的？」的疑問。那麼，當時世界各地的家長們又是怎麼對孩子解釋的呢？答案說不定是「因為藍色是對眼睛有益的顏色」、「因為白雲最相襯的就是藍天」、「因為藍色在自然界很稀有，所以被神明獨占了」……等等羅曼蒂克的回答呢。
要指出這些科學家在發現光的性質之前時代的答案是「錯誤」的很容易。然而，我認為當時人們出於詩意，或是出於想帶給孩子夢想的父母心，而用浪漫的方式理解周遭事物的感性，不應被全盤否定。
類似的例子還有以下這樣的猜謎問題。

【問題】請在下面（　）中填入恰當的詞彙。
冰塊融化會變成（　）。

如果這是理化課的考試，那答案當然是「水」。然而，如果這是猜謎的話，那「春天」這個答案不僅更巧妙也更有詩意，似乎是比「水」更好的答案。

●萬物一致的美
所謂的物理學，就是一種盡可能用最簡潔且普遍的方式來解釋自然現象的學問。比如，使用牛頓發現的萬有引力，不論是蘋果從樹上掉下來的運動，還是月球繞地球公轉的運動，都能用同樣的數學算式來說明。這就是物理的醍醐味。
無論是天空的藍色、大海的藍色、彩虹的七色，全部都可以用光的「波性質」來統一理解。冰塊融化變成水，也只是物體得到熱後從固體變為液體的狀態變化一例而已。
我們眼前發生的自然現象，有時會跟個人經驗產生共鳴，有時會創造我們一輩子也忘不了的特殊時刻。而用詩意的、浪漫的方式表達這些獨一無二的個人體驗，是一件非常美好的事情。
另一方面，我認為了解能更統一解釋森羅萬象的學問，也是另一種認識這世界之美的重要方法。
希望透過接下來將介紹的「物理篇」，也能讓各位感受到大自然的美麗之處。

為什麼天空是藍的？　〜通往物理的門扉〜　前言

你知道全世界的人們在Google上最常搜尋的「why is ~（為什麼）」是什麼嗎？答案是

Why is the sky blue?（為什麼天空是藍色的？）

根據2019年的數據，完全相同的問題每年大約會被搜尋360萬次。如果連問法稍有不同但內容相同的問題以及英文以外的語言也一併算入，搜尋次數應該還要多得多。
實際上，小孩子經常對父母拋出「為什麼天空是藍色的？」或「為什麼海是藍色的？」這類單純的疑問，而被問到這個問題的多數家長大概都被問倒，才跑去上網搜尋。順帶一提，天空是藍色的原因跟大海...

為什麼天空是藍的？～通往物理的門扉～　前言
●萬物一致的美
第1章 聲音是什麼
寫在本章開始前…始於畢達哥拉斯某次散步的探尋之旅
聲音傳遞的路徑
透過「某種東西」傳遞
確定了聲音不會在真空中傳遞的實驗
可惜！我們聽不見「宇宙之音」
音波
聲音作為一種波　～聲音是如何傳遞的？～
兩種波　～橫波和縱波～
縱波就是「密」和「疏」的反覆交替
聲音的三要素
音高、音強、音色
《音高》～高低由振動頻率決定～
《音強》～不是「強、等於、大」的概念～
《音色》～純粹的聲音是漂亮的波形～
單弦樂器
弦樂器的原理
在散步途中聽到的聲音
音階的發明
聲音的速度
比音速更快的協和號客機
音速會隨氣溫改變
將砝碼和彈簧的關係套用到空氣上思考
在液體和固體中傳遞時的音速
都卜勒效應
救護車疾駛而過時的鳴笛聲、在電車內聽到的平交道警鳴
都卜勒效應的原理
雖然克里斯蒂安・都卜勒的猜想落空……
Column 1雷聲
●自然的雷電難以當成能源的原因

第2章 光是什麼
寫在本章開始前…無論是中文的「光」，還是英文的「light」

發光的原理
2種原理　～熱輻射和冷發光～
冷發光難以解釋
光的直進性
光最基本的性質
燈泡的光是擴散光線，太陽光是平行光線
影子的形成
點光源與面光源、本影與半影
除了「月全食」和「月偏食」外還有「半影月食」
所謂的「看見」是怎麼回事？
紙本和電子書
以為是眼睛射出東西的亞里斯多德
光的反射
入射角永遠等於反射角
正反射和漫反射
鏡子與成像
鏡中成像跟實物的位置關係
鏡中反射的可見範圍
鏡子需要多長才能映出全身？
光的折射
碗底的硬幣像浮在水中？
為什麼會發生反射？
不同介質的折射率
牛頓與光的色散　～彩虹的光帶「光譜」～
凸透鏡
凸透鏡的三種作用
「球面鏡」與「非球面鏡」
凸透鏡與光的行進方式　～畫圖計算成像位置與大小～
《例1：當物體正好在2倍焦距上時》
《例2：當物體在比2倍焦距更遠處時》
《例3：當物體在比焦距更遠，但比2倍焦距更近處時》
《例4：當物體在比焦距更近處時》
《例5：當物體正好在焦距上時》
【發展】用計算導出透鏡的公式
凸透鏡的注意點①（如果用布蓋住一半透鏡…）
凸透鏡的注意點②（實像的成像方式）
針孔相機
失焦的原因
不論放在哪裡都不會失焦！
在江戶時代的浮世繪和書物中也有出現
Column 2 尋找彩虹的方法與天空的顏色
●如何在雨過天青後尋找彩虹？
●天空是藍色的原因
●雲是白色的原因

第3章 電是什麼
寫在本章開始前…不織布口罩的祕密
靜電
質子和電子的電量
塑膠墊板與頭髮的絕佳組合
「電 electricity」的語源來自希臘語的「琥珀 elektron」
電流、電壓、與電阻
伏打的假說、格雷的實驗
（1）電流　～單位是「安培」～
（2）電壓　～單位是「伏特」～
（3）電阻　～單位「歐姆」～
電阻與電阻率
導線愈細長的話
常導與超導
電路與歐姆定律
學看電路圖
蓋歐格・歐姆的發現
乾電池的原理與性質
歐姆定律的「物理學意義」
串聯與並聯
電燈泡的原理與性質
《燈泡串聯時》
《燈泡並聯時》
《乾電池串聯時》
給搞不懂電流與電路問題的讀者
密不可分的物理與數學，兩者決定性的差異
《乾電池並聯時》
整理4種排列方式
短路
短路是常見的火災原因
電線發生「短路」的原理
各種電路的計算
《基本的電路》1顆乾電池、1粒燈泡
《複雜的電路①》1顆乾電池、3粒燈泡
《複雜的電路②》1顆乾電池、4粒燈泡
焦耳熱（消費電力）
詹姆士・焦耳的功績
關於瓦（W）這個單位
焦耳熱的理論背景
電熱線
說到電熱線就想到鎳鉻合金，但銅線也可以
《電熱線的串聯》
《電熱線的並聯》
Column 3 什麼是負電荷的移動？
●是否該避提負（minus）的概念？
●用錢的概念來想就很簡單
●假設的定義沿用至今

第4章 磁鐵是什麼
寫在本章開始前…磁鐵是「慈鐵」？
各種各樣的磁鐵
日本是「磁鐵王國」
如何表現看不見的磁力
（1）磁場的方向
（2）磁力線
為什麼鐵會被磁鐵吸住
磁化　～鐵釘摩擦過磁鐵後產生磁性的原理～
人造的永久磁鐵歷史尚淺
棒狀磁鐵的性質
電磁鐵
電磁鐵　～厄斯特的發現～
右手定則　～安培的發現～
線圈
（1）線圈的磁力線
（2）線圈的磁極
放大電磁鐵磁力的3種方法
電磁鐵的特徵　～整理：跟棒狀磁鐵比較～
（1）N極跟S極可以對調
（2）磁力可以調控至接近零
（3）磁力大小可控
（4）可以創造比永久磁鐵更強的磁鐵
地球就是一個大磁鐵
羅盤的祖先　～指向南方的「指南魚」～
為什麼會有地磁存在？
2種「北」　～「正北」和「磁北」～
電磁感應
法拉第的舉一反三
人類最早的發電機　～法拉第帶來的「現代」～
冷次定律
自然偏好穩定，不喜歡變化和不自然
勞侖茲力與左手定則
馬達與發電機
電流會受到來自磁場的力
法拉第的電磁旋轉裝置
比起科學更愛課稅的英國首相
馬達的原理
交流電與發電機
日本列島 東西不同之謎
馬達也能化身發電機　～源自操作錯誤的意外發現～
手搖發電機
Column 4 詹姆斯・尤因的功績
●作為外勞來到日本
●磁飽和與磁滯現象
●尤因埋下的「磁鐵王國」種子

第5章 彈簧與槓桿的原理
寫在本章開始前…物理學中的「力」　～2種意義～
彈性體的代表性存在「彈簧」
虎克定律　～在有限範圍內有效的關係～
虎克沒有留下肖像畫的原因
接觸力　～關鍵在於界面～
作用在彈簧上的力　～該看整體，還是看兩端的點～
如果把彈簧橫放會如何
【補充】繩索張力的真面目
常見的誤解　～兩端都有砝碼的情況～
作用在多個彈簧上的力（前篇）
[1]將兩條相同彈簧串聯時
[2]將兩組彈簧跟砝碼的組合串聯時
[3]將兩條不同種類的彈簧串聯時
槓桿的三點　～支點、施力點、抗力點～
阿基米德的豪語
力矩　～使物體旋轉的能力～
3種槓桿　～依照什麼點在中央來分類～
《第一類槓桿》～支點在中央～
《第二類槓桿》～抗力點在中央～
《第三類槓桿》～施力點在中央～
槓桿靜止的條件
思考用兩手轉動汽車方向盤的情況
左右的「力臂長×砝碼重量」相等時……
《各種各樣的槓桿①》　～有三個砝碼的槓桿～
《各種各樣的槓桿②》　～支點在末端的槓桿（彈簧秤登場）～
《各種各樣的槓桿③》　～沒有支點的槓桿（2個彈簧秤）～
《各種各樣的槓桿④》　～棒子彎曲成逆ㄟ字形的槓桿～
作用在多個彈簧上的力（後篇）
[4]2條相同彈簧並聯的情況（砝碼在中央）
[5]2條相同彈簧並聯的情況（砝碼不在中央）
[6]2條不同類彈簧並聯的情況
Column 5 接觸力還是非接觸力，橫跨世紀的爭論
●超越高中物理　～稍微跨入大學程度的物理～
●發現萬有引力後引發的爭論　～重力如何傳遞～
●庫侖力的發現　～與萬有引力一模一樣～
●跟「百年常識」唱反調的法拉第
●相隔一世紀的解答時刻　～因波的傳遞屬於接觸作用而分出勝負～
●「手指 VS. 槓桿」的悖論　～如果有一根不會彎曲的棒子!?～

第6章 滑輪與輪軸的物理學
寫在本章開始前…自古以來便伴隨人類左右的「機械」滑輪與輪軸
滑輪
便利無比的滑輪們　～滑輪的定義與種類～
定滑輪　～滑輪本身不動～
動滑輪　～跟貨物一起移動的滑輪～
省力一半，但移動距離變成2倍
能與功（量）
費曼對「能量」的解釋
何謂功？　～物理學上的定義～
定滑輪與槓桿＆力平衡
動滑輪與槓桿＆力平衡
滑輪組（複合滑輪）
多個動滑輪連在同一條繩索上的情形
多個動滑輪並非連在同一條繩索上的情形
有時還需要考慮動滑輪的重量
輪軸
輪軸的優點
我們身邊的輪軸　～開闔、調節等等～
稍微聊點題外話　～腳踏車的歷史～
腳踏車齒輪的物理學
思考摩擦力　～剛起步時最費力～
後輪齒輪較大時（半徑20cm）
後輪齒輪較小時（半徑5cm）
日本中學入學考例題
【問題1　惠泉女學園中學】
【問題2　聖望學園中學】
Column 6 關於力的單位
●運動的三大定律
●力的單位「N（牛頓）」
●國際單位制（SI）
●重力加速度

第7章 密度、壓力、浮力的物理學
寫在本章開始前…聰明小孩測量大象體重的故事
密度
鐵跟棉花哪個比較重？
各種物質的密度與浮沉的關係
水的密度與質量的標準變遷
水的狀態變化與密度
兩種相反作用互相抗衡，正巧落在4°C
物質三態　～固體、液體、氣體～
氣體的體積因條件而異
壓力
圖釘、鎖上的門、大氣壓
帕斯卡原理與流體
【補充(1)】帕斯卡原理的數學證明
【補充(2)】大學物理課會學到的「應力」思維
【補充(3)】流體的正確定義
水壓
由此開始要考慮重力
【補充】水壓只由深度決定的證明
複雜形狀容器的水壓
計算／不計算大氣壓的影響　～絕對壓力與錶壓力～
浮力
久等了！終於輪到浮力
計算浮力的大小
【補充】用代數式計算浮力
食鹽水的濃度與物體的浮沉　～用生雞蛋做實驗魔術～
可以躺在水上讀書的湖
食鹽水與浮力
浮在液體上之物體所受的浮力　～冰山的一角是幾％？～
彈簧秤與台秤的受力　～挑戰中學入學考題～
【其他解法】把「燒杯＋水」與「砝碼」分開
作用力・反作用力定律
Column 7 帕斯卡的說服藝術
●「定義」「公理」「論證」三大台柱
●「定義」很重要，但不能太死腦筋
●「公理」不是「定理」
●「論證」的三個規則　～任何人都能進行邏輯議論～
●影響帕斯卡的歐幾里德《幾何原本》

第8章 物體的運動原理
寫在本章開始前…日晷、水鐘、擺輪鐘
●使用游絲的惠更司「擺輪鐘」
單擺
單擺的基本性質
單擺等時性的「極限」
單擺的週期是由什麼決定的？
【補充】用數學式表示單擺的週期
單擺運動的對稱性
物體的下落
亞里斯多德認為「物體愈重下落愈快」
自由落體的下落速度與下落距離
運動與能量
力學能守恆定律
【發展】位能與動能的數學表現
《位能》
《動能》
《速度》
《移動距離》
當單擺的擺錘撞上木片
【補充】推導木片的「移動距離」
Column 8 從伽利略到牛頓的近代科學精神
●這二人被譽為近代科學之父的原因
●學習理科的必要性與日俱增

結語
參考文獻
索引

為什麼天空是藍的？～通往物理的門扉～　前言
●萬物一致的美
第1章 聲音是什麼
寫在本章開始前…始於畢達哥拉斯某次散步的探尋之旅
聲音傳遞的路徑
透過「某種東西」傳遞
確定了聲音不會在真空中傳遞的實驗
可惜！我們聽不見「宇宙之音」
音波
聲音作為一種波　～聲音是如何傳遞的？～
兩種波　～橫波和縱波～
縱波就是「密」和「疏」的反覆交替
聲音的三要素
音高、音強、音色
《音高》～高低由振動頻率決定～
《音強》～不是「強、等於、大」的概念～
《音色》～純粹的聲音是漂亮的波形～
單弦樂器
弦樂器的原理
在散步途中聽到...