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物理學(xué)與測量UniversityPhysicsChapter11/301SlideKeyConcepts1-1 物理學(xué)與自然科學(xué)1-2 測量1-3 物理量因次與因次分析法2/302Slide

1-1

物理學(xué)與自然科學(xué)物理學(xué)是自然科學(xué)一支，而所謂自然科學(xué)則是指對自然界各種現(xiàn)象、事物作有系統(tǒng)研究學(xué)問。廣義科學(xué)係指經(jīng)由觀察、實(shí)驗(yàn)、分析、歸納、演繹等過程所建立有系統(tǒng)、有組織知識與學(xué)問，同時也涵蓋了求得此知識方法，比如：怎樣做合理假設(shè)、怎樣提出一個完整有效模型、怎樣正確分析所獲數(shù)據(jù)等等，都已是隸屬於較廣義科學(xué)定義內(nèi)範(fàn)圍。3/303Slide科學(xué)可分為自然科學(xué)及社會科學(xué)兩大類。自然科學(xué)指是探索與自然界中物質(zhì)或能量相關(guān)之性質(zhì)學(xué)問，比如物理學(xué)、化學(xué)或生物學(xué)、…等屬之；而社會科學(xué)則研究與人類社會中物質(zhì)或精神文明相關(guān)問題，比如心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、…等等均屬之。自然科學(xué)按研究對象可分類成物理科學(xué)（physicalscience）及生物科學(xué)（lifescience）兩大領(lǐng)域4/304Slide物理學(xué)是自然科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，所以，物理學(xué)所探究問題，主要是有關(guān)物質(zhì)性質(zhì)、組成物質(zhì)基本要素及物質(zhì)間最基本交互作用特征與形式。它所研究範(fàn)圍從小至微觀粒子組成及性質(zhì)，到大至龐大宇宙構(gòu)成及來源，它不僅包含對自然現(xiàn)象所研究得到有系統(tǒng)知識，同時也包含探索這些知識方法。5/305Slide1-2

測量物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它所探討主要是自然界中發(fā)生現(xiàn)象。為了仔細(xì)探究這些自然現(xiàn)象所包含事理，常需要在特定場所及時間、控制好環(huán)境及裝置下安排實(shí)驗(yàn)，反覆做詳細(xì)觀察。觀察需要測量、整理、歸納及分析，測量得越準(zhǔn)確，則往後整理、歸納及分析就越輕易。測量時常需要將一些物理量做數(shù)量上表示或 比較，但比較兩個或多個物理量，則需要這些 物理量間有共同基準(zhǔn)，這共同基準(zhǔn)稱為單 位（unit）。所以，測量結(jié)果就需要包含單位及數(shù)值。

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1-2-1

時間測量與時間單位1平均太陽日=24小時=24

60分=24

60

60秒

1秒 =86400分之一個平均太陽日

物理上比較準(zhǔn)確定義是以平均太陽日做為時間測量基準(zhǔn)。所謂太陽日指是太陽連續(xù)兩次正對地球上某一處所經(jīng)歷時間，我們?nèi)魧⒁荒曛腥刻柸掌骄饋?，就成了所謂平均太陽日。平均太陽日即可作為時間單位。從平均太陽日即可定義小時、分和秒，即：7/307Slide

很早年代，人們即以沙漏（圖1-1）作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時工具，圖1-1

沙漏圖1-2

機(jī)械鐘

單擺也是一種簡單而實(shí)用工具，當(dāng)前很多實(shí)際計(jì)時工具，仍是根據(jù)單擺原理製成，比如機(jī)械鐘（圖1-2）。第一個發(fā)現(xiàn)小擺幅單擺週期是固定科學(xué)家是伽立略，他是在上教堂時候，無意中發(fā)現(xiàn)到教堂大吊燈有規(guī)律來回振盪而發(fā)現(xiàn)。8/308Slide近代物理研究，我們得知原子中有一些振動含有相當(dāng)固定頻率，所以這些原子每一次振動會有固定時間，這種時間長短由原子內(nèi)部構(gòu)造所決定，不受外界環(huán)境如溫度、壓力等影響，所以它有較好恆定性。用這種原理製成計(jì)時器稱為原子鐘（如圖1-3）。圖1-3時間標(biāo)準(zhǔn)器─原子鐘（此鐘當(dāng)前置於桃園電信研究所內(nèi)）在l967年國際度量衡會議上選定了以銫（Cesium）原子某一固定振動做標(biāo)準(zhǔn)，以此振動9,192,631,770次所需時間定義為1秒，此一標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今。9/309Slide

最近幾年來雷射冷凍術(shù)（lasercooling）被應(yīng)用到原子鐘，大大改進(jìn)了原子振動頻率量測技術(shù)，原子鐘準(zhǔn)確度大增，誤差已從天天10–11秒被改進(jìn)到10–16秒。由於時間測量準(zhǔn)確度大增，也影響了長度測量。最近長度標(biāo)準(zhǔn)訂定，已改由可極精確測量光速值及時間間隔來訂定了。表1-1列出一些與我們?nèi)粘Ｉ钣嘘P(guān)時間。10/3010Slide

表1-1一些已測得時間時間間隔秒快速基本粒子穿過中等原子核之時間2

10–23地球年齡1.3

1017金字塔年齡1.2

1011人類平均壽命（臺灣）2

109地球公轉(zhuǎn)週期（一年）3.1

107地球自轉(zhuǎn)週期（一天）8.6

104人造衛(wèi)星週期5.1

103自由中子半衰期7.0

102人類正常心跳週期8.0

10–1A調(diào)音叉週期2.3

10–3

介子半衰期2.2

10–6波長3公分之微波振盪週期1.0

10–10分子轉(zhuǎn)動週期1

10–12中性

介子半衰期2.2

10–161MeV

射線振盪週期（計(jì)算值）4

10–2111/3011Slide

1-2-2

長度測量與單位

最早國際公認(rèn)長度單位標(biāo)準(zhǔn)是在巴黎國際度量衡局所保留一支鉑銥合金棒，它在攝氏零度時長度訂為1公尺。這支標(biāo)準(zhǔn)公尺長度，原來是以從地球北極經(jīng)巴黎到赤道子午線長度千萬分之一，作為標(biāo)準(zhǔn)公尺。並依此做了一個鉑銥合金標(biāo)準(zhǔn)尺，將此標(biāo)準(zhǔn)尺上兩個精細(xì)刻度間距離定義為1公尺。這個標(biāo)準(zhǔn)尺放在法國

塞佛（Sevres）國際度量衡標(biāo)準(zhǔn)局中。後來再經(jīng)精密測量發(fā)現(xiàn)上述標(biāo)準(zhǔn)公尺，其實(shí)與所規(guī)定子午線長度一千萬分之一倍並不完全相符，大約有0.0296%誤差，而這種標(biāo)準(zhǔn)也有其缺點(diǎn)，因?yàn)樗资艿街車鷾囟扔绊懏a(chǎn)生誤差。12/3012Slide

在1961年，國際間同意將公尺標(biāo)準(zhǔn)，改訂為氪同位素所發(fā)出某一特定光波長1,650,763.73倍，這個定義當(dāng)然是由原先標(biāo)準(zhǔn)公尺定義而來。圖1-4所表示為用來制訂標(biāo)準(zhǔn)公尺氦氖雷射。但因長度測量精密度比不上時間測量精密度，而且真空中光速也可測得非常準(zhǔn)確，圖1-4長度標(biāo)準(zhǔn)器──氦氖雷射（此氦氖雷射當(dāng)前置於新竹工業(yè)技術(shù)研究院量測技術(shù)發(fā)展中心內(nèi)）13/3013Slide

在1983年國際度量衡會議即改用真空中光速及時間間隔來訂定長度標(biāo)準(zhǔn)。定義光在真空中於299,792,458分之一秒所走距離為1公尺，真空中光速又為恆定常數(shù)，所以此一標(biāo)準(zhǔn)即為一個精確而且恆常標(biāo)準(zhǔn)，而且各地也都輕易由實(shí)驗(yàn)中自行建立這個標(biāo)準(zhǔn)。慣用長度單位，除了公尺以外，還有

1公里=103公尺，

1公分=10-2

公尺，公分亦稱厘米，

1公釐=10-3公尺，公釐亦稱毫米，

1埃=10-10公尺，以?表示，

1奈米=10-9公尺，以nm表示。14/3014Slide

人們也慣用各種不一樣長度單位，但在科學(xué)上為了劃一起見，我們將全部採用公尺，而將其大小以數(shù)量級法（10自乘次數(shù)）表示出來，比如1.38公分記為1.38

10–2公尺；33,000公分表為3.30

102公尺。表1-2列出一些與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)長度。15/3015Slide

表1-2一些已測得長度長度公尺質(zhì)子半徑1.2

10–15至最遠(yuǎn)之類星體（1984）~

1026最近星雲(yún)距離（到仙女座）2

1022我們銀河半徑6

1018最近星球距離（人馬星座）4.3

1016最遠(yuǎn)之行星（冥王星）平均軌道半徑5.9

1012太陽半徑6.9

108地球半徑6.4

106東亞最高山玉山之高度4.0

103日常人高度1.7

100一張紙厚度1.0

10–4病毒大小1.2

10–8氫原子半徑5.0

10–1116/3016Slide

1-1 已知一哩約為1.61公里。美國高速公路上速率限制多為每小時65.0哩，試換算此一速限為每小時多少公里？17/3017Slide：

1.61×65.0=105km/h18/3018Slide

1-2 在土地或房屋權(quán)狀上，面積是用平方公尺作單位，然而民間買賣時卻用坪為單位，一坪是6.000臺尺見方，一臺尺約為30.30公分，試計(jì)算40.00坪房子在權(quán)狀上，所登記面積是多少平方公尺？19/3019Slide：

一平方臺尺=0.3030×0.3030=0.09181m2一坪=6.000×6.000=36.00平方臺尺40.00×36.00×0.09181=132.2m2

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質(zhì)量測量與單位在1889年以前，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量是採用1公升純水在4

C時質(zhì)量，將此質(zhì)量定義為1千克。在1889年國際度量衡會議上，改採一個鉑銥合金所製成千克原器為標(biāo)準(zhǔn)（見圖1-5），此一圓柱形千克原器，當(dāng)前也置於法國

塞佛之國際度量衡標(biāo)準(zhǔn)局內(nèi)，世界各國都有其複製品，我國也有一個複製品，當(dāng)前置於新竹工業(yè)技術(shù)研究院量測技術(shù)發(fā)展中心。1-5質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器（此標(biāo)準(zhǔn)器當(dāng)前置於新竹工業(yè)技術(shù)研究院量測技術(shù)發(fā)展中心內(nèi)）21/3021Slide當(dāng)一物體在等臂天平上與該千克原器成平衡時，則其質(zhì)量定為1千克。其它慣用質(zhì)量單位有：

1公噸=103千克

1公克=10–3千克22/3022Slide表1-3一些已測得質(zhì)量物體公斤物體公斤我們銀河系2.2

1041葡萄3.0

10–3太陽2.0

1030一小片灰塵6.7

10–10

地球6.0

1024煙草病素細(xì)菌2.3

10–13

月球7.4

1022盤尼西林分子5.0

10–17

海洋中全部水1.4

1021鈾原子4.0

10–26

越洋郵輪7.2

107質(zhì)子1.7

10–27

大象4.5

103電子9.1

10–31

人6.0

101

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國際單位系統(tǒng)物理量單位符號時間秒s （second）長度公尺m （meter）質(zhì)量千克kg（kilogram）電流安培A （ampere）溫度（克氏）度K （kelvin）光度燭光cd（candela）物質(zhì)量莫耳mol （mole）24/3024Slide表1-5公制中字首次方字首符號次方字首符號1018exa百萬兆E10–2centi厘（塵）c1015peta仟兆P10–3milli毫m1012tera兆T10–6micro微

109giga十億G10–9nano奈（毫微）n106mega百萬M10–12pico皮（微微）p103kilo千k10–15femto飛（毫微微）f102hecto佰h10–18atto阿a101deka佰分，十da25/3025Slide1-3

物理量因次與因次分析法物理學(xué)中各種物理量，比如時間、質(zhì)量、長度、位移、速度、加速度等都含有量值與單位，量值大小需先說明是用什麼單位來量度，這樣才能與基本量相互比較，其數(shù)值也才能確定。像這類無法僅憑數(shù)值來表示其數(shù)量值大小物理量，稱為含有因次（dimension）物理量。在力學(xué)中，通常將長度、時間、質(zhì)量當(dāng)作基本量，並將這些基本量因次分別定義為長度、時間、質(zhì)量，而表示為[L]、[T]、[M]，這些基本量相互之間沒有關(guān)係，各自獨(dú)立。26/3026Slide其它物理量因次則根據(jù)他們與基本量之間數(shù)學(xué)關(guān)係，可用基本量因次乘積式來表示。比如，加速度為長度除以時間兩次方，因次表示成力則為質(zhì)量乘以加速度，所以力因次表示為

[F]=[M][L][T]–2

又如角度無因次