圖解物理學（更新版）

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。

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...

【推薦序】由圖像建立物理觀念以想像力登上物理殿堂
【作者序】愉快學習物理體驗物理美妙之處

第1章 探訪物理的世界
01 解答「為什麼」即物理的精髓
02 為何物理中一定要有數學式
03 支撐物理的五大支柱
04 「物理入門」的第一道關卡了解原子的構造
05 以支配自然的四種作用力為主軸來學習「物理學」
06 物理思考的原點——「克卜勒定律」
07 「萬有引力定律」的推導過程
08 好好地融會貫通「場」的概念

第2章 力學為物理之鑰
01 物理量的單位只有四種
02 力學能藉由「向量」以圖像表現
03 較重的物體會落下得比較快
04 力與加速度及質量的關係
05 運動方程式的發現大幅地改變了物理
06 「慣性定律」就是「惰性定律」？
07 無論何時，力都是成雙成對的
08 偏西風的產生是受到地球為球形的影響
09 有苦就有樂──能量守恆定律
10 測量能量的大小
11 即使物體相撞，動量還是維持不變
12 向心力是萬有引力的仲介
13 藉由萬有引力定律來思考圓周運動

第3篇 探討波與光
01 在空間中進行傳遞的「波」
02 聲音與光同樣是波卻完全不同！
03 為何會發生「都卜勒效應」
04 愈大型的樂器聲音愈低沉
05 自然界中充滿了共鳴
06 光的特性就是「急性子」
07 光的折射原理
08 鑽石的寶貴價值來自「全反射」
09 偏光濾鏡使水中之物也能清楚看見
10 可以通過狹縫的半圓形──波的繞射
11 同心協力就是一種美？波的各種干涉現象

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
02 水既不容易變熱也不容易冷卻
03 溫度的高低即表示分子運動的程度
04 溫度的最低下限──「絕對零度」
05 壓力可用分子的質量、速度與密度來表示
06 分子的動能與絕對溫度成正比
07 能量可以轉變成各種形式
08 熱力學第一定律即「能量守恆定律」
09 獲得的熱能有兩種瓜分方式
10 在無火的情況下點火──絕熱變化
11 覆水難收即「熱力學第二定律」
12 熵只會不斷增大

第5章 到底什麼是「電」？
01 「電」是因缺乏電子而產生
02 靜電作用力非常地強大
03 在電的世界裡，占據高點同樣較為有利
04 當相同的電荷互相靠近時……
05 原子核是儲存電能的罐頭
06 電也會受到來自空間的作用力
07 空間在肉眼不可見之下改變了
08 金屬會散發出光澤是因電子快速移動所致
09 在汽車裡就算打雷也很安全
10 電容器是儲存電的倉庫
11 如何儲存大量的電
12 電阻是連接寬廣水道的細小水管
13 電的流動──電流
14 載運砂石的觀念也可以用來說明歐姆定律
15 從電能到熱能

第6章 一窺電磁的世界
01 磁鐵的N 極與S 極為何分不開？
02 磁力可證明移動中的物體會「縮小」
03 利用磁鐵來產生電
04 線圈會在磁場中儲存能量
05 即使沒有移動的電荷，電流還是存在！？
06 電磁波是由振動的電場所產生！
07 藉由勞倫茲力來了解馬達的作用原理
08 磁浮列車是如何前進的
09 以電容器讓磁場旋轉！

【附錄】基本粒子的世界充滿趣味！
光也具有粒子的特性
不接受分散能量的電子
無論多麼巨大的物體都擁有波的特性
兩者不可兼得──測不準原理
基本粒子可以向上帝借用能量
測不準原理使原子得以存在

索引

【推薦序】由圖像建立物理觀念以想像力登上物理殿堂
【作者序】愉快學習物理體驗物理美妙之處

第1章 探訪物理的世界
01 解答「為什麼」即物理的精髓
02 為何物理中一定要有數學式
03 支撐物理的五大支柱
04 「物理入門」的第一道關卡了解原子的構造
05 以支配自然的四種作用力為主軸來學習「物理學」
06 物理思考的原點——「克卜勒定律」
07 「萬有引力定律」的推導過程
08 好好地融會貫通「場」的概念

第2章 力學為物理之鑰
01 物理量的單位只有四種
02 力學能藉由「向量」以圖像表現
03 較重的物體會落下得比較快
0...