CH01物理量

 

何謂物理?

1600~1900間的物理稱為古典物理(Classical Physics,經典物理)。一般包括有:

1、古典力學(Classical Physics):質點運動與流體力學。

2、熱力學(Thermodynamic):溫度、熱轉換和......。

3、電磁學(Electrodynamic):靜電學、靜磁學、電磁波和光波。

1905年後的物理稱為近代物理(Modern Physics)。一般指的是:

4、狹義相對論(Special relativity):

5、量子力學(Quantum Mechanics):

6、廣義相對論(Relativity):

這只是大致分類…


自然界的四種力:

作用力 相對強度 影響距離
強作用力(Strong) 1  10-15 m
電磁力(Electromagnetic) 10-2 無限遠
弱作用力(Weak) 10-6 10-17 m
重力(Gravitational) 10-33 無限遠

重力(gravity):作用於所有粒子間的力

電磁力(electromagnetic force):作用於電荷間的作用力

強作用力(strong force):作用於原子內部的力

弱作用力(weak force):作用於原子內部的力


重力比電磁力弱很多~~

FB,皮皮老師的物理世界:https://www.facebook.com/PiPiPhysics/timeline

「科普書常會說重力比電磁力弱了許多,事實上是弱了大約 10N 倍,N 是好幾十。他們可能會算一算兩個質子之間的重力與庫倫靜電力,然後做個比較。

我有一個比較簡單與直觀的論證方法。

一把在衣服上磨擦過的塑膠尺會帶靜電,可以把桌面或地面上的碎紙片吸住。這個現象所代表的意思,就是整個地球跟一把小直尺搶紙片搶輸了。靜電力大勝

同樣地,磁棒可以撿起地上的鐵釘,也是意味著磁力比重力強得多。」


單位(Units):SI單位

常用單位
物理量 單位 單位符號
時間(time) 秒(second) s
長度(length) 公尺(meter) m
質量(mass) 公斤(kilogram) kg

國際單位制(SI單位制):1960年第11屆國際度量橫會議制訂了一套國際單位系統,簡稱SI單位制。至今,SI單位共有7個。

SI單位
物理量 單位 單位符號
時間(time) 秒(second) s
長度(length) 公尺(meter) m
質量(mass) 公斤(kilogram) kg
電流(current) 安培(Ampere) A
溫度(temperature) 克氏溫度(Kelvin) K
光度(light) 燭光(candela) cd
物質量(amount of substance) 莫耳(mole) mol

1-時間(time):SI單位制中,時間的單位為秒(second,s)

太陽日:地球上某一點,二次面對太陽所需的時間。亦即太陽兩次到達天空正中的時間。

恆星日:地球自轉360度所需的時間。

平均太陽日:一年之中,太陽日的平均值,稱為平均太陽日。

1967年,國際度量衡會議選定,以銫(Cesium-133)原子的某一振動作為標準,此振動9,192,631,770次所需時間定義為1秒。

時間間格 單位:秒
預估質子(proton)生命期  3*1040
宇宙年齡(150億年) 5*1017
地球年齡(約42億年) 42*10y ≅ 1.3*1017
地球公轉週期(一年,year)  3.1*107
地球自轉週期(一天,day) 24hr*60min*60sec=8.64*104s
86400秒
介子(muon)的生命期  2*10-6
不穩定粒子的生命期(lifetime)  1*10-23
普蘭克時間(Planck time) 1*10-43……【備註】

【備註】由測不準原理可以知道,此時間無法再小了!

2-長度(length):公尺(meter,m)

1960年,公尺的標準訂定為氪同位數發出的波長的1,650,763.73倍,為標準公尺定義。

1983年,國際度量橫會議改用光於真空中1秒鐘所走的距離的299,792,458分之一為一公尺。

長度代號
長度 代號
公里(kilometer) 103m km
公引(hectometer) hm
公丈(decameter) dam
公尺(meter) 1m m
公吋(decimeter) dm
公分(centimeter) 10-2m cm
公厘(millimeter) 10-3m mm
微米(micrometer) 10-6m μm
奈米(nanometer) 10-9m nm
埃(angstrom) 10-10m  Å

光年(light-year):光走一年的距離~9.46*1015 m/y

天文單位(astronomical unit,AU):太陽到地球的平均距離~1.5*108 km(光從太陽到地球約8分鐘)

3-質量(mass):SI單位制中,質量的單位為公斤(kilogram,kg)

1889年以前,定義為40C時一公升的水的質量,稱為1公斤。

1889年國際度量衡會議中採用鉑銥合金製成的公斤容器作為標準。

單位原子質量(Unified atomic mass unit,u)

定義:碳-12的原子質量定義為12u,因此可推得1u=1.66*10-27kg

重量代號
重量 代號
公噸(Ton) 103kg t
公擔(Quintal) q
公衡(Myraiagram) Mag
公斤(kilogram) 1kg kg
公兩(Hectogram) Hg
公錢(Decagram) Dag
公克(gram) 10-3kg g

密度(density):單位體積的質量 Latex formula

質子質量~1836電子質量

4-電流(current):安培(Ampere,A)

Latex formula(electric current)

單位:Latex formula

5-溫度(temperature):克氏溫度(Kelvin,K)

Kelvin Scale(克氏溫度,T)

絕對0度=0K

Celsius Scale(攝氏溫度,Latex formula

Fahrenheit Scale(華氏溫度,Latex formula

Latex formula

Latex formula

Latex formula

Latex formula

Latex formula

【注意】在寫攝氏溫度時會寫成1000 C,上面的0指的是“度”,讀成 “100度C”。但絕對溫度中,則不需要。只要寫為100K就好!

【補充】人體溫度約為370 C(大約是980 F),如果體溫為1000 F(37.70 C)就是輕微發燒了!

室溫250 C(大約是770 F)

夏天溫度300 C(大約是860 F)

沙漠溫度標高到400 C(大約是1040 F)

6-光度(light):燭光(candela,cd)

1979年10月第十六屆國際度量衡大會將燭光定義為:給定一個頻率為Latex formula(約 Latex formula)的單色輻射光源,該輻射源在某個方向的輻射強度為Latex formula,則該輻射源在該方向的發光強度為1燭光。

1燭光的點狀光源所發出的總光通量為 Latex formula流明。1流明=1燭光⋅立弳。

球面度,也稱為立弳(英語:Steradian,符號:sr),球表面積為Latex formula,因此整個球有Latex formula個球面度。

一支普通蠟燭的發光強度約為 Latex formula

7-物質量(amount of substance):莫耳(mole,mol)

以莫耳當作物質粒子數的單位

1莫耳的物質質量=分子量(或原子量)

Mole數:Latex formula

Latex formula:分子數

Latex formula 稱為亞佛加厥常數(Avogadro’s Number)

Latex formula:質量

Latex formula:莫耳質量,1莫耳的質量。Latex formula

Latex formula:單一個分子或原子的質量。

1mol=Latex formula 個粒子

【補充】水分子(Latex formula)的『相對分子質量(分子量)』約為18.016,一莫耳水的質量為18.016克。

氫(Latex formula)原子量:1.008

氧(Latex formula)原子量:16

【補充】氫氣 Latex formula 與氧氣 Latex formula 反應生成水,可以用化學方程式表達為:Latex formula。其意義為2莫耳氫氣與1莫耳氧氣反應生成2莫耳水。


數量級(維度)(Order of Magnitude)與維度分析(Dimensional Analysis):

假設 Latex formulaLatex formula
可以說 A 和 B 的數量級都是 4。

質子半徑為 Latex formula ,可以說它的數量級(維度)為 -15。

維度分析又稱因次分析
維度(dimensions):以 Latex formula 表示 x 的維度

距離 Latex formula
時間 Latex formula
質量 Latex formula

面積 Latex formula
速度 Latex formula
加速度 Latex formula
Latex formula
壓力 Latex formula

例題:根據牛頓第二運動定律 Latex formula,作用在粒子的力 Latex formula 跟其質量 Latex formula 和加速度 Latex formula 有關。根據牛頓萬有引力法則,粒子間的吸引力Latex formula,其中 Latex formula 是粒子間的距離。試問 Latex formula 的維度?

SOL:

Latex formula

Latex formula

the dimension of Latex formula

the dimensions of Latex formula

 


『有效數字』與『估計值』

基本測量莫過於長度、時間、質量和溫度。

在這些測量中,儀器不可能無限制的準確,實驗中一定會產生誤差。

記錄實驗數據時,會記錄『準確值』加上一位數的『估計值』。

有效位數的加減乘除

例題: Latex formula

SOL:

Latex formula

有效位數到小數點後一位,所以答案為28.8。

例題:Latex formula

SOL:

Latex formula

有效位數到小數點後1位,所以答案為8.6。