九十七學年度 段考考題

九十七學年度 第一學期 段考考題

高一 期中考
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高一 期末考
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高二 第一次期中考
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高二 第二次期中考
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高二 期末考
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高三 第一次期中考
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高三 第二次期中考
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高三 期末考
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九十七學年度 第二學期 段考考題

高一 期中考
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高一 期末考

高二 第一次期中考
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高二 第二次期中考

高二 期末考

高三 第一次期中考

高三 第二次期中考

高三 期末考

5. 麥可·法拉第 Michael Faraday

法拉第-發電機的發明者,家境非常的貧窮,從未接受過正規教育,從小當書本裝訂商學徒,所以對閱讀極有興趣,

據說法拉第在書籍上的註解,常常會比書中原本的論述還要豐富。法拉第雖然家境貧窮,但無疑是科學史中,最重要的科學家之一。

麥可·法拉第

法拉第,由約翰·瓦特金所攝,現存於大英圖書館[1]
出生
1791年9月15日
出生地  英國紐因頓
逝世 1867年8月25日
逝世地  英國倫敦漢普頓宮
研究領域 物理學化學
著名成就 電磁感應
國籍  英國
居住地  英國
研究機構 皇家研究機構
導師 漢弗里·戴維
獲獎 皇家勳章1846年
備註 事實上法拉第不曾受過高等教育,但我們仍可把漢弗里·戴維視為法拉第的指導教授[2

麥可·法拉第英語Michael Faraday1791年9月22日1867年8月25日),英國物理學家(當時對「物理」的稱呼為「自然哲學」),也精於化學,在電磁學電化學領域有以下貢獻。

  • 電學方面,法拉第研究負載直流電導體與附近磁場之間的關係,在物理學中建立起磁場這個概念。他發現了電磁感應抗磁性電解。另外,他也發現磁場能對光線產生影響,進而發現兩者間的基本關係。另外,法拉第還發明了一種依電磁轉動的裝置,為電動機的前身。
  • 化學方面,法拉第發現了不同的化學物質,如類。他還發明了一種加熱工具,是本生燈的前身。化學中的氧化數也出自法拉第之手,另外如陽極陰極電極離子等現今電化學中經常使用的專有名詞,也是由法拉第推廣給世人。

雖然法拉第只受過很少的正式教育,這使得他的數學程度相對有限,但不可否認,法拉第仍是歷史上最偉大的科學家之一[3]。他把孕育成可用技術,為了紀念法拉第,電容值的國際單位被命名為法拉(Farad, F),此外,一莫耳的電子所含的電量(約96485庫侖)也稱為法拉第常數,讓世人緬懷他在電學上無與倫比的貢獻。法拉第電磁感應定律陳述一隨時間改變的磁場會創造與磁場強度成正比的電動勢。法拉第在英國皇家研究機構Royal Institution)中任富勒里安化學教授,並指為終身職。在所有任過此職者中,法拉第為第一個,也是最為出名的學者。 

重要經歷

法拉第出生於英國紐因頓,接近現在的倫敦大象堡。法拉第家的經濟狀況並不好,他的父親詹姆士是個鐵匠以及基督教桑地馬尼安教派的一員,於1780年代從英格蘭的西北部來到倫敦。由於家境貧窮,因此他只好靠自學求取知識。14歲時,他成為書本裝訂商及銷售人喬治·雷伯的門生。7年學徒生涯中,他讀過大量書籍,包括以撒·華茲的「悟性的提升」,書中對於學習的原則與建議,法拉第一直遵行不輟。另外,他也從由珍·瑪西女士所寫的「化學閒聊」中得到很多啟發。在這些大量的閱讀之中,法拉第漸漸樹立起對科學的興趣,這其中,又以電學為甚。

1812年,時齡二十歲,隨著門生生涯走入尾聲,法拉第開始旁聽由赫赫有名的皇家研究機構的一員以及英國皇家學會會長:爵士漢弗里·戴維以及市立哲學協會的創始者:約翰·塔特姆所開的演講。參加這些演講的門票大多是由威廉·譚斯(皇家愛樂協會的創辦人之一)給予法拉第。之後有一次,法拉第將自己在演講中細心抄錄,並旁徵博引,內容達三百頁的筆記拿給戴維過目,戴維立刻給予他相當友善且正面的答覆。也因此,戴維在一次三氯化氮實驗中發生意外,視力受損之後,便僱用了法拉第作為他的秘書。當皇家研究機構中一位助手約翰·培恩離開後,他們便請求戴維尋找替代人選。戴維在1813年3月1日推薦法拉第成為化學助理。由於法拉第在印書店的新僱主亨利·德拉羅許脾氣暴躁,他毫不猶豫的離開了這份舊工作。

在當時的階級分明的英國社會中,出身卑微的法拉第並不被認同為一個紳士。在1813年五月,戴維展開一次長期的歐洲巡迴。由於他的侍從並不想跟從,法拉第原本是以助手的身份跟去,卻被要求同時作戴維的僕人,直到在巴黎找到人代替為止。戴維最後沒有找到代替者,法拉第也因此被強迫在整個旅行中同時兼任僕人與助手。戴維的妻子珍·亞普莉絲不願意平等對待法拉第,旅行時要他坐在馬車外,與傭人一起吃飯,法拉第的處境越來越悽慘,甚至開始考慮獨自回到英國放棄科學研究。不過這次旅行,也讓他接觸了歐洲許多的科學菁英,刺激出他許多想法。逆境最終沒有阻擋住法拉第在科學上的貢獻。在旅行過後不久,法拉第的成就便超越了戴維。

他的贊助者兼顧問為約翰·『瘋狂傑克』·富勒,他在皇家研究機構裡創立了富勒里安化學教授這個職位。

法拉第信仰虔誠,是桑地馬尼安教派(蘇格蘭國教會的一分支)的一員。他曾在其中任兩任長老。

法拉第在1821年娶沙拉·巴娜德為妻,不過膝下無子。他們由於參加桑地馬尼安教會而認識。

1824年,他被選為皇家學會的一員,並於1825年被指派為實驗室主任。1833年他被選為皇家研究機構終身職,任職而不需講課。

[]科學成就

麥可·法拉第

[]電學

他在電學方面的貢獻最為顯著。紀錄中法拉第最早的實驗乃是利用七半片便士、七片片以及六片浸過鹽水的濕紙做成伏特電池。他並使用這個電池分解硫酸鎂。

1821年,在丹麥化學家韓·克利斯汀·奧斯特發現電磁現象後,戴維和威廉·海德·渥拉斯頓嘗試設計一部電動機,但沒有成功。法拉第在與他們討論過這個問題後,繼續工作並建造了兩個裝置以產生他稱為「電磁轉動」的現象:由線圈外環狀磁場造成的連續旋轉運動。他把導線接上化學電池,使其導電,再將導線放入內有磁鐵池之中,則導線將繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極電動機。這些實驗與發明成為了現代電磁科技的基石。但此時法拉第卻做了一件不智之舉,在沒有通知戴維跟渥拉斯頓情況下,擅自發表了此項研究成果。此舉招來諸多爭議,也迫使他離開電磁學研究數年之久。

在這個階段,有些證據指出戴維可能有意阻礙法拉第在科學界的發展。如在1825年,戴維指派法拉第進行光學玻璃實驗,此實驗歷時六年,但沒有顯著的進展。直到1829年,戴維去世,法拉第停止了這個無意義的工作並開始其他有意義的實驗。在1831年,他開始一連串重大的實驗,並發現了電磁感應,雖然在福朗席斯科·札德啟稍早的工作可能便預見了此結果,此發現仍可稱為法拉第最大的貢獻之一。這個重要的發現來自於,當他將兩條獨立的電線環繞在一個大鐵環,固定在椅子上,並在其中一條導線通以電流時,另外一條導線竟也產生電流。他因此進行了另外一項實驗,並發現若移動一塊磁鐵通過導線線圈,則線圈中將有電流產生。同樣的現象也發生在移動線圈通過靜止的磁鐵上方時。

他的展示向世人建立起「磁場的改變產生電場」的觀念。此關係由法拉第電磁感應定律建立起數學模型,並成為四條麥克斯韋方程組之一。這個方程組之後則歸納入場論之中。

法拉第並依照此定理,發明了早期的發電機,此為現代發電機的始祖。

1839年他成功了一連串的實驗帶領人類了解電的本質。法拉第使用「靜電」、電池以及「生物生電」已產生靜電相吸、電解、磁力等現象。他由這些實驗,做出與當時主流想法相悖的結論,即雖然來源不同,產生出的電都是一樣的,另外若改變大小及密度(電壓及電荷),則可產生不同的現象。

在他生涯的晚年,他提出電磁力不僅存在於導體中,更延伸入導體附近的空間裡。這個想法被他的同儕排斥,法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念:這些流線由帶電體或者是磁鐵的其中一極中放射出,射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠將抽象的電磁場具象化,對於電力機械裝置在十九世紀的發展有重大的影響。而這些裝置在之後的十九世紀中主宰了整個工程與工業界。

1845年他發現了被他命名為抗磁性(diamagnetism)現在則稱為法拉第效應的現象:一個線性極化的光線在經過一物體介質時,外加一磁場並與光線的前進方向對齊,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉向。他在筆記本中寫下:『我終於在「闡釋一條磁力曲線」—或者說「力線」—及「磁化光線」中取得成功。』(("I have at last succeeded in illuminating a magnetic curve or line of force and in magnetising a ray of light")。這個實驗證明了光和磁力有所聯繫。

在對於靜電的研究中,法拉第發現在帶電導體上的電荷僅依附於導體表面,且這些表面上的電荷對於導體內部沒有任何影響。造成這樣的原因在於在導體表面的電荷彼此受到對方的靜電力作用而重新分佈至一穩定狀態,使得每個電荷對內部造成的靜電力互相抵銷。這個效應稱為遮蔽效應,並被應用於法拉利籠上。

雖然法拉第是一位非常出色的實驗學家,他的數學能力與之相形就顯得相當薄弱,只能計算簡單的代數,甚至難以應付三角學。不過法拉第懂得使用條理清晰且簡單的語言表達他科學上的想法。他的實驗成果後來被詹姆斯·克拉克·麥克斯韋使用,並建立起了現在電磁理論的基礎方程式。 

晚年

1848年,受到配王(女王的丈夫)引見,法拉第受賜在薩里漢普頓宮恩典之屋,並免繳所有開銷與維修費。這曾是石匠師傅之屋,後稱為法拉第之屋,現位於漢普頓宮37號(No.37 Hampton Court Road)。在1858年,法拉第退休並在此定居。

在他有生之年中,他推辭了封爵並且兩次拒絕成為皇家學會的會長。

他在1867年8月25日死於位於漢普頓宮的家中。在西敏寺艾薩克·牛頓的墓旁座落著他的紀念碑。但是他拒絕在西敏寺下葬,而入土於桑地馬尼安教派的海格特墓園中。 

4. 阿基米德

阿基米德,唯一一位16世紀之前的著名物理學家(兼數學家),最著名的故事包含在洗澡中想到如何測量純金與力矩原理-

「給我一個支點,我可以舉起整個地球。」,連墓碑上都是幾何原理的天才。

敘拉古的阿基米德

阿基米德Αρχιμήδης前287年前212年),古希臘哲學家數學家物理學家科學家。出生於西西里島敘拉古。阿基米德到過亞歷山卓,據說他住在亞歷山卓時期發明了阿基米德式螺旋抽水機,今天在埃及仍舊使用著。第二次布匿戰爭時期,羅馬大軍圍攻敘拉古,最後阿基米德不幸死在羅馬士兵之手。

阿基米德生平

阿基米德在公元前287年,出生在希臘西西里島東南端的敘拉古城。在當時古希臘的輝煌文化已經逐漸衰退,經濟、文化中心逐漸轉移到埃及亞歷山大城;但是另一方面,義大利半島上新興的羅馬帝國,也正不斷的擴張勢力;北非也有新的國家迦太基興起。阿基米德就是生長在這種新舊勢力交替的時代,而敘拉古城也就成為許多勢力的角力場所。

阿基米德的父親是天文學家和數學家,所以他從小受家庭影響,十分喜愛數學。大概在他九歲時,父親送他到埃及的亞歷山大城唸書,亞歷山大城是當時世界的知識、文化中心,學者雲集,舉凡文學數學天文學醫學的研究都很發達,阿基米德在這裏跟隨許多著名的數學家學習,包括有名的幾何學大師—歐幾里德,因此奠定了他日後從事科學研究的基礎。


在經過許多年的求學歷程後,阿基米德回到故鄉—敘拉古。據說敘拉古的國王—海維隆二世與阿基米德的父親是朋友,也有另一種說法是:國王與他們是親戚關係。總之,回國後的阿基米德很受國王的禮遇,經常出入宮廷,並常與國王、大臣們閒話家常或是暢談國事。阿基米德在這種優裕的環境下,作了好幾十年的研究工作,並在數學、力學、機械方面取得了許多重要的發現與成就,成為上古時代歐洲最有創建的科學家。

據說阿基米德經常為了研究而廢寢忘食,走進他的住處,隨處可見數字和方程式,地上則是畫滿了各式各樣的圖形,牆上與桌上也無法倖免,都成了他的計算板,由此可知他旺盛的研究精神。

國王大概也知道阿基米德驚人的研究精神,於是他出了一個難題給阿基米德去解決。

真假皇冠 一試便知

這個難題讓阿基米德回家苦思了幾天,吃不下飯也睡不好覺。原來國王請金匠用純金打造了一頂純金王冠,做好了以後,國王懷疑金匠不老實,可能造假摻了「銀」在裡面,但是又不能把王冠毀壞來鑑定。怎樣才能檢驗王冠是不是純金的呢?哇!這可是個傷腦筋的問題。阿基米德想了好久,一直沒有好方法。

有一天,他在洗澡的時候發現,當他坐進浴盆裡時有許多水溢出來,這使得他想到:

「溢出來的水的體積正好應該等於他身體的體積,所以只要拿與王冠等重量的金子,放到水裡,測出它的體積,看看它的體積是否與王冠的體積相同,如果王冠體積更大,這就表示其中造了假,摻了銀。」

阿基米德想到這裡,不禁高興的從浴盆跳了出來,光著身體就跑了出去,還邊跑邊喊「尤里卡!尤里卡!(希臘話:發現了)」可別小看這句話,現代世界上最著名的發明博覽會就是以「尤里卡」命名的。果然經過證明之後,王冠中確實含有其他雜質,阿基米德成功的揭穿了金匠的詭計,國王對他當然是更加的信服了。

後來阿基米德將這個發現進一步總結出浮力理論,並寫在他的《浮體論》著作裡,也就是: 物體在流體中所受的浮力,等於物體所排開的流體的重量。 阿基米德為流體靜力學建立了基本的原理。

一個支點 舉起地球

阿基米德「給我一個支點,我就可以舉起整個地球。」

阿基米德對於機械的研究源自於他在亞歷山卓城求學時期。有一天阿基米德在久旱的尼羅河邊散步,看到農民提水澆地相當費力,經過思考之後他發明了一種利用螺旋作用在水管裡旋轉而把水吸上來的工具,後世的人叫它做「阿基米德螺旋提水器」,埃及一直到二千年後的現在,還有人使用這種器械。這個工具成了後來螺旋推進器的先祖。

當時的歐洲,在工程和日常生活中,經常使用一些簡單機械,譬如:螺絲滑車槓桿齒輪等,阿基米德花了許多時間去研究,發現了「槓桿原理」和「力矩」的觀念,對於經常使用工具製作機械的阿基米德而言,將理論運用到實際的生活上是輕而易舉的。他自己曾說:

「給我一個支點,我可以舉起整個地球。」

剛好海維隆王又遇到了一個棘手的問題:國王替埃及托勒密王造了一艘船,因為太大太重,船無法放進海裡,國王就對阿基米德說,「你連地球都舉得起來,一艘船放進海裡應該沒問題吧?」於是阿基米德立刻巧妙地組合各種機械,造出一架機具,在一切準備妥當後,將牽引機具的繩子交給國王,國王輕輕一拉,大船果然移動下水,國王不得不為阿基米德的天才所折服。從這個歷史記載的故事裡我們可以明顯的知道,阿基米德極可能是當時全世界對於機械的原理與運用,瞭解最透徹的人。

當代的數學大師

[]科學成就

阿基米德發展了天文學測量用的十字測角器,並製成了一架測算太陽對向地球角度的儀器。他最著名的發現是浮力和相對密度原理,即物體在液體中減輕的視重,等於排去液體的重量,後來以阿基米德原理著稱於世。在幾何學上,他創立了一種求圓周率的方法,即圓周的周長和其直徑的關係。

阿基米德有句名言:「給我一個支點,我就可以舉起地球。」他一生專心研究科學上的體積和浮力問題,有一個有趣的故事,就是當時候國王叫金匠打造一頂純金的皇冠,國王因為懷疑金匠加了雜物,就請阿基米德鑒定,阿基米德一直在想鑒定的方法,就在他走進浴缸里洗澡的時候,看見滿出去的水時,悟出利用浮力測量不規則物體密度的方法,他高興的跑出浴室,大叫:「我找到了!(εύρηκα)」一時忘了自己是光著身體。另外,阿基米德還有幾何方面的數學成就。

阿基米德是第一位講科學的工程師,在他的研究中,使用歐幾里德的方法,先假設,再以嚴謹的邏輯推論得到結果,他不斷地尋求一般性的原則而用於特殊的工程上。他的作品始終融合數學和物理,因此阿基米德成為物理學之父。

他應用槓桿原理于戰爭,保衛西拉斯鳩的事跡是家喻戶曉的。而他也以同一原理導出部分球體的體積、迴轉體的體積(橢球迴轉拋物面迴轉雙曲面),此外,他也討論阿基米德螺線(例如:蒼蠅由等速旋轉的唱盤中心向外走去所留下的軌跡),圓、球體、圓柱的相關原理,其成就。

阿基米德將歐幾里德提出的趨近觀念作了有效的運用,他提出圓內接多邊形和相似圓外切多邊形,當邊數足夠大時,兩多邊形的周長便一個由上,一個由下的趨近於圓周長。他先用六邊形,以後逐次加倍邊數,到了九十六邊形,求出π的估計值介於3.141633.14286之間。另外他算出球的表面積是其內接最大圓面積的四倍。而他又導出圓柱內切球體的體積是圓柱體積的三分之二,這個定理就刻在他的墓碑上。 

3. 伽利略·伽利萊 Galileo Galilei

伽利略-義大利人,傳說中伽利略跑到比薩斜塔,把兩顆輕重不一的球同時丟下,結果兩顆球同時落地,推翻亞里士多德的關於落體速度與其質量成正比的理論。伽利略是科學史中第一位由縝密實驗方法進行科學實驗,形成古典物理科學進步的基石

伽利略

伽利略·伽利萊Galileo Galilei1564年2月15日1642年1月8日), 義大利比薩城人。偉大的物理學家天文學家,近代實驗科學的奠基者之一與科學革命的先驅。他最早使用望遠鏡觀測天體來支持哥白尼日心說。他通過理論分析與實驗推翻了被奉為圭臬的亞里士多德的力學體系並建立了近代力學。他工作中體現出的「實驗-模型」思維方法成為至今實驗科學研究的基石。

成果

伽利略為牛頓的牛頓運動定律第一、第二定律提供了啟示。他非常重視數學在應用科學方法上的重要性,特別是實物與幾何圖形符合程度到多大的問題。

伽利略認為選擇得當的數學證明可以用來探索任何牽涉到定量性的問題。伽利略為自己提出的第一套力學問題,是那些牽涉到尺度效果的問題。在考察尺度效果時,伽利略研究了物質的數量,即後來叫做品質的量,後來又以同樣方式探索了牽涉到時間測量和速度測量的動力學問題。伽利略所研究的中心問題就是在重力影響下的落體運動問題,推翻了亞里斯多德關於不同重量的物體下落速度不同的論點。

根據亞里斯多德的物理學,保持物體以勻速運動的是的持久作用。但是伽利略的實驗結果證明物體在引力的持久影響下並不以勻速運動,而是每次經過一定時間之後,在速度上有所增加。物體在任何一點上都繼續保有其速度並且被引力加劇。如果沒有了引力,物體將仍舊以它在那一點上所獲得的速度繼續運動下去。這就是慣性原理。這個原理闡明物體只要不受到外力的作用,就會保持其原來的靜止狀態或勻速運動狀態不變。

從慣性原理,伽利略發展了拋射體的飛行軌跡理論,從而表明數學證明在科學上的價值。他考察了一個球以勻速滾過桌面,再從桌邊沿一根曲線軌道落到地板上的動作。在這條墜落軌道上的任何一點,球都具有兩種速度:一個是沿水平面的速度,根據慣性原理始終保持勻速,另一個是垂直的速度,受引力的影響而隨著時間加快。在水準方向,球在同等時間內越過同等距離,但是在垂直的方向,球越過的距離則和時間的平方成正比。這樣的關係決定球走出的軌跡形式,即一種半拋物線,因此,一個物體以四十五度角拋出時,距離將最遠。

伽利略發展一些儀器。他製造了第一個溫度計來測量溫度,而且用來測量時間,伽利略還改良了折射式望遠鏡,並使用望遠鏡進行天文觀測

1609年,伽利略聽說荷蘭米德爾堡的眼鏡商造出了「望遠鏡」可以將遠距離的東西放大,於是伽利略研究了合成鏡片的光學性質,造了幾具改進的望遠鏡自用。他用新式的望遠鏡進行天文觀測,發現太陽上有黑子,月亮表面的坑洞,並根據其邊緣影子的長度測算它們的高度。他還發現銀河是由許多的恆星組成。此外,伽利略還發現了金星,即金星也跟月球一樣有相位的變化,會從新月狀逐漸變為滿月;他也發現了木星的四顆衛星。這些發現都支持哥白尼日心說,並嚴重地挑戰了當時羅馬教會所認可的托勒密古希臘天文觀地心說。他將這些發現彙集撰寫關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話,意圖平復反對的聲浪,以避免教會的制裁。1615年伽利略受到羅馬宗教法庭的傳訊,在法庭上他被迫作出承認自己錯誤的聲明。

1741年伽利略被正式平反,教宗本篤十四世授權出版他的所有科學著作。1992年10月31日,教宗約翰•保羅二世對伽利略事件的處理方式表示遺憾。

 

2. 阿爾伯特·愛因斯坦 Albert Einstein

愛因斯坦在近代科學發展中,已經被極端的神化,不僅他的論述常常被使用,圖像在任何領域中均可見,愛因斯坦不只是個偉大的科學家,更是個著名的人道主義者


出生
1879年3月15日
出生地 德國烏爾姆
逝世 1955年4月18日 (76歲)
逝世地 美國紐澤西州普林斯頓
研究領域 物理學
著名成就 廣義相對論
狹義相對論
布朗運動
光電效應
E=mc²
愛因斯坦場方程式
玻色-愛因斯坦統計
EPR悖論
國籍 德國(1879年-96年、1914年-33年)
瑞士(1901年-55年)
美國(1940年-55年)
居住地 德國義大利瑞士美國
研究機構 瑞士伯爾尼專利局
蘇黎世聯邦工業大學
布拉格查理大學
普魯士科學學院
威廉皇家物理研究所
萊頓大學
普林斯頓高等研究院
母校 蘇黎世聯邦工業大學
導師 阿爾弗雷德·克萊納
獲獎 諾貝爾物理學獎(1921年)

生平

愛因斯坦生於德國烏爾姆一個經營電器作坊的小業主家庭,父母都是猶太人,父親赫爾曼·愛因斯坦是一名成功的商人,母親波林·科克是一位鋼琴家。愛因斯坦從小不很聰明,三歲還不會說話。五歲時對袖珍羅盤著迷,六歲開始練習拉小提琴。愛因斯坦出生後的第二年,1880年全家遷居慕尼黑1894年,又全家遷至義大利米蘭。1895年他轉學到瑞士阿勞市的州立中學。愛因斯坦在就讀小學和中學時,功課表現平常,不愛與人交往,老師和同學都不喜歡他。教授他希臘文和拉丁文的老師曾經公開責罵他:「你將一事無成。」他的父親曾寫信對朋友說:「愛因斯坦的功課成績並不完全符合我的希望和期待。很久以來,我已經看慣了他的成績單上總是有不太好的和很好的成績」。

1895年,愛因斯坦來到瑞士蘇黎世投考蘇黎世聯邦理工學院,他的數學和物理考得很不錯,但其他科目沒有考好,該校校長赫爾岑推薦他去瑞士的阿勞州立中學學習一年。在阿勞州立中學學習的這段時光中使愛因斯坦感到快樂,這所學校的信念「概念思考是建立在『直觀』之上的。」完全符合他的需求。1896年,愛因斯坦進入蘇黎世聯邦工業大學師範系學習物理學,學校裡的物理教授韋伯很討厭愛因斯坦,曾對愛因斯坦說:「你很聰明,但有個缺點,你聽不進別人的話」,愛因斯坦的女友米列娃時常與韋伯教授衝突,她指責他對愛因斯坦不公平,1899年6月,愛因斯坦在實驗室引起一場爆炸,手部嚴重燒傷。1900年畢業,沒能如願留校擔任助教,只能靠當「家教」維持生活。1901年取得瑞士國籍。1902年在大學同學格羅斯曼(M. Grossman)的父親協助下,被伯爾尼瑞士專利局錄用為技術員,從事發明專利申請的技術鑒定工作。他利用業餘時間開展科學研究,于1905年物理學三個不同領域中取得了歷史性成就,特別是狹義相對論的建立和光量子論的提出,推動了物理學理論的革命。同年,以論文《分子大小的新測定法》,取得蘇黎世聯邦工業大學的博士學位。

[]奇蹟年

愛因斯坦於伯恩的故居

愛因斯坦在1905年發表了四篇劃時代的論文,分別為:《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》、《根據分子運動論研究靜止液體中懸浮微粒的運動》、《論運動物體的電動力學》、《物體慣性與其所含能量有關嗎?》,隨後導出了E = mc²的公式。因此這一年被稱為「愛因斯坦 奇蹟年」。100年後的2005年因此被定為「2005 世界物理年」。

  • 1905年3月發表《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》(On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light),認為光是由分離的粒子所組成。愛因斯坦解釋光也是由小的能量粒子(量子)組成的,並且量子可以像單個的粒子那樣運動。「光量子」理論把1900年普朗克創立的量子論大大推進一步,對早已成為定論的光的波動理論提出有力挑戰,揭示了微觀世界的基本特徵:波動—粒子二元性。
  • 1905年4月:根據在咖啡館裡關於茶的討論,愛因斯坦寫出一篇論文,論證可以根據糖在液體中的擴散速度來計算糖分子的大小。這一篇《根據分子運動論研究靜止液體中懸浮微粒的運動》(On the Motion Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid)的論文。
  • 1905年6月30日,德國《物理學年鑑》(Annalen der Physik)發表《關於運動物體的電動力學》(On the Electrodynamics of Moving Bodies)一文。首次提出了狹義相對論基本原理,論文中提出了兩個原理:「光速不變」,以及「相對性原理」。
  • 1905年9月27日,德國《物理學報》刊出〈物體的慣性與其所含能量有關嗎?〉(Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?),認為「物體的質量可以度量其能量」,隨後導出了E = mc²的公式。

[]成名

愛因斯坦1908年兼任伯爾尼大學的兼職講師。1909年離開專利局任蘇黎世大學理論物理學副教授。1911年布拉格德國大學理論物理學教授,1912年任母校蘇黎世聯邦工業大學教授。1914年,應馬克斯·普朗克瓦爾特·能斯特的邀請,回德國任威廉皇家物理研究所所長兼柏林大學教授,直到1933年1920年亨德里克·安東·洛倫茲保耳·埃倫菲斯特的邀請,兼任荷蘭萊頓大學特邀教授。第一次世界大戰爆發後,他投入公開和地下的反戰活動。

1915年愛因斯坦發表了廣義相對論。他所作的光線經過太陽重力場要彎曲的預言,于1919年由英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓日全蝕觀測結果所證實。1916年他預言的重力波1978年也得到了證實。愛因斯坦和相對論在西方成了家喻戶曉的名詞,同時也招來了德國和其他國家的沙文主義者、軍國主義者和排猶主義者的惡毒攻擊。

1917年愛因斯坦在《論輻射的量子性》一文中提出了受激輻射理論,成為雷射的理論基礎。

1919年11月10日《紐約時報》刊登新觀察證實相對論的消息,形容這是愛因斯坦理論的大勝利.

愛因斯坦因在光電效應方面的研究,被授予1921年諾貝爾物理學獎。在瑞典科學院的公告中並未提及相對論,原因是認為相對論還有爭議[1]

1933年1月納粹黨攫取德國政權後,愛因斯坦是科學界首要的迫害對象,幸而當時他在美國講學,未遭毒手。3月他回歐洲後避居比利時9月9日發現有準備行刺他的蓋世太保跟蹤,星夜渡海到英國,10月轉到美國擔任新建的普林斯頓高級研究院的教授(普林斯頓高等研究院普林斯頓大學非同一機構),直至1945年退休。1940年他取得美國國籍。

1937年愛因斯坦曾經探訪住在美國加州的查理·卓別林

1939年他獲悉核分裂及其鏈式反應的發現,在匈牙利物理學家利奧·西拉德推動下,上書羅斯福總統,建議研製原子彈,以防德國佔先。第二次世界大戰結束前夕,美國在日本廣島長崎兩個城市上空投擲原子彈,愛因斯坦對此強烈不滿。戰後,為開展反對核戰爭的和平運動和反對美國國內法西斯危險,進行了不懈的鬥爭。

1955年4月18日愛因斯坦因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。遵照他的遺囑,不舉行任何喪禮,不築墳墓,不立紀念碑,骨灰撒在永遠對人保密的地方,為的是不使任何地方成為聖地。愛因斯坦的後半生一直從事尋找統一場論的工作,不過這項工作沒有獲得成功,對此,著名的愛氏研究專家亞伯拉罕·派斯曾說:「愛因斯坦在1925年之後就應該去釣魚,而不是繼續做研究」[2]。現在,尋找比統一場論包含內容更廣泛、能夠統一解釋各種基本交互作用的理論,是理論物理學研究的中心問題之一。

1999年時代》雜誌將其評選為20世紀風雲人物。為紀念他,第99號元素被命名為「」。

另外,「愛因斯坦」一詞還是耶路撒冷希伯來大學註冊商標. 科學的巨人

[]上帝不會擲骰子

二十世紀上半期愛因斯坦曾經是量子力學的催生者之一,但是他不滿意量子力學的後續發展,也就是以波耳為首的哥本哈根詮釋,這一套詮釋表明自然法則中存在著一種根本的隨機性,於是量子力學建立了「非決定論」在微觀世界之發展基礎[1]。愛因斯坦與其他科學家提出一個「EPR悖論」來反駁哥本哈根的解釋,他說了一句很有名的話:「上帝永遠不會擲骰子」,他還有另一個名言「月亮是否只在你看著他的時候才存在?」。愛因斯坦恪守「因果律」,是最後一位古典物理學家。

[]個性和思想

愛因斯坦是一個和平主義者,他為人和藹友善,同時謙虛卻又特立獨行,從而受到廣泛的尊敬。他有時會講講笑話,並愛好航行和拉小提琴。他還是個心不在焉的教授,經常丟三落四,專心於思考物理問題而忽視周圍的世界。他還是位素食主義者。他曾說:「我認為素食者的人生態度,乃是出自極單純的生理上的平衡狀態,因此對於人類的理想是有所裨益的。」 

1. 艾薩克·牛頓 Isaac Newton

 牛頓無疑是高中物理中最重要的人物。為了表達其崇高地位,科學家以牛頓為的單位。也是除了公尺、公斤與秒之外,最重要的物理單位。

艾薩克·牛頓爵士

46歲的艾薩克·牛頓爵士
戈弗雷·內勒作于1689年
出生
1643年1月4日
儒略曆1642年12月25日[1]
出生地 英格蘭林肯郡埃爾斯索普村
逝世 1727年3月31日 (84歲)
舊曆1727年3月20日[1]
逝世地 英格蘭倫敦肯辛頓
研究領域 神學物理學數學天文學自然哲學煉金術
著名成就 牛頓力學
萬有引力
微分學和積分學
經典光學
國籍 英格兰 英格蘭
居住地 英格蘭
研究機構 劍橋大學皇家學會
母校 劍橋大學三一學院

艾薩克·牛頓爵士,FRSSir Isaac Newton1643年1月4日1727年3月31日英語發音[ˈaɪzək ˈnjuːtṇ]儒略曆1642年12月25日1727年3月20日][1]是一位英格蘭物理學家數學家天文學家自然哲學家煉金術士。他在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》里,對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此後三個世紀裡物理世界的科學觀點,並成為了現代工程學的基礎。他通過論證克卜勒行星運動定律與他的重力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;為太陽中心說提供了強有力的理論支持,並推動了科學革命

在力學上,牛頓闡明了動量角動量守恆的原理。在光學上,他發明了反射式望遠鏡,並基於對三稜鏡發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速

在數學上,牛頓與戈特弗里德·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理,提出了「牛頓法」以趨近函數的零點,併為冪級數的研究作出了貢獻。

2005年,牛頓曾擔任會長的英國皇家學會進行了一場「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查,在被調查的皇家學會會員和網民投票中,牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。[2]

生平

[]早年生活

1702年的牛頓,由戈弗雷·內勒所作

按照現行公曆1643年1月4日,艾薩克·牛頓出生於英格蘭林肯郡鄉下的一個小村落埃爾斯索普村埃爾斯索普莊園。在牛頓出生之時,英格蘭並沒有採用教宗的最新曆法,因此他的生日被記載為1642年聖誕節。牛頓出生前三個月,他同樣名為艾薩克的父親才剛去世。由於早產的緣故,新生的牛頓十分瘦小;據傳聞,他的母親漢娜·艾斯庫(Hannah Ayscough)曾說過,牛頓剛出生時小得可以把他裝進一誇脫馬克杯中。當牛頓3歲時,他的母親改嫁並住進了新丈夫巴納巴斯·史密斯(Barnabus Smith)牧師的家,而把牛頓托付給了他的外祖母瑪傑里·艾斯庫(Margery Ayscough)。年幼的牛頓不喜歡他的繼父,並因母親嫁給他的事而對母親持有一些敵意,牛頓甚至曾經「威脅我那姓史密斯的父母親,要把他們連同房子一齊燒掉[3]……」

據《大數學家》(Men of MathematicsE·T·貝爾E.T. Bell)著)和《數學史介紹》(An introduction to the history of mathematics,H·伊夫斯H. Eves)著)兩書記載:「牛頓在鄉村學校開始學校教育的生活,後來被送到了格蘭瑟姆國王中學,並成為了該校最出色的學生。在國王中學時,他寄宿在當地的藥劑師威廉·克拉克(William Clarke)家中,並在19歲前往劍橋大學求學前,與藥劑師的繼女安妮·斯托勒(Anne Storer)訂婚。之後因為牛頓專註於他的研究而使得愛情冷卻,斯托勒小姐嫁給了別人。據說牛頓對這次的戀情保有一段美好的回憶,但此後便再也沒有其他的羅曼史,牛頓也終生未娶。」[4]一般都懷疑牛頓可能是處男[5]

不過據和牛頓同時代的友人威廉·斯蒂克利William Stukeley)所著的《艾薩克·牛頓爵士生平回憶錄》(Memoirs of Sir Isaac Newton's Life)一書的描述,斯蒂克利在牛頓死後曾訪問過文森特(Vincent)夫人,也就是當年牛頓的戀人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫做凱瑟琳,而不是安妮,安妮是她的妹妹(參見Arthur Storer),而且夫人僅表示牛頓當年寄宿時對她只不過是「懷有情愫」的程度而已。

從12歲左右到17歲,牛頓都在國王中學學習,在該校圖書館的窗檯上還可以看見他當年的簽名。他曾從學校退學,並在1659年10月回到埃爾斯索普村,因為他再度守寡的母親想讓牛頓當一名農夫。牛頓雖然順從了母親的意思,但據牛頓的同儕後來的敘述,耕作工作讓牛頓相當不快樂。所幸國王中學的校長亨利·斯托克斯(Henry Stokes)說服了牛頓的母親,牛頓又被送回了學校以完成他的學業。他在18歲時完成了中學的學業,並得到了一份完美的畢業報告。

1661年6月,他進入了劍橋大學的三一學院。在那時,該學院的教學基於亞里士多德的學說,但牛頓更喜歡閱讀一些笛卡兒等現代哲學家以及伽利略哥白尼克卜勒天文學家更先進的思想。1665年,他發現了廣義二項式定理,並開始發展一套新的數學理論,也就是後來為世人所熟知的微積分學。在1665年,牛頓獲得了學位,而大學為了預防倫敦大瘟疫而關閉了。在此後兩年裡,牛頓在家中繼續研究微積分學光學萬有引力定律

[]中年生活

艾薩克·牛頓[6]

[]數學

大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,併為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和「微分法」被歐洲大陸全面地採用,在大約1820年以後,英國也採用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他一直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法西奧·德丟列Nicolas Fatio de Duillier)的聯繫十分密切,後者一開始便被牛頓的重力定律所吸引。1691年,德丟列打算編寫一個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。一些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關係可能存在愛情的成分。[7]不過,在1694年這兩個人之間的關係冷卻了下來。在那個時候,德丟列還與萊布尼茨交換了幾封信件。

在1699年初,皇家學會(牛頓也是其中的一員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,一項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在1716年逝世。

牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理,它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法,分類了立方面曲線(兩變數的三次多項式),為有限差理論作出了重大貢獻,並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程式的解。他用對數趨近了調和級數的部分和(這是歐拉求和公式的一個先驅),並首次有把握地使用冪級數和反轉(revert)冪級數。他還發現了π的一個新公式。

他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前,劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過,盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍于教堂(大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上)。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件,這需要查理二世的許可,後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的衝突。

[]光學

從1670年到1672年,牛頓負責講授光學。在此期間,他研究了光的折射,表明稜鏡可以將白光發散為彩色光譜,而透鏡和第二個稜鏡可以將彩色光譜重組為白光。

牛頓1672年使用的6英寸反射式望遠鏡複製品,為皇家學會所擁有

他還通過分離出單色的光束,並將其照射到不同的物體上的實驗,發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到,無論是反射、散射或發射,色光都會保持同樣的顏色。因此,我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果,而不是物體產生顏色的結果。(更多的細節,參看牛頓的色彩理論。)

從這項工作中,他得出了如下結論:任何折射式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響,並因此發明了反射式望遠鏡(現稱作牛頓式反射望遠鏡)來迴避這個問題。他自己打磨鏡片,使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質,製造出了優於折射式望遠鏡的儀器,而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年,他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記,這在後來擴大為《光學》(Opticks)一書。但當羅伯特·虎克批評了牛頓的某些觀點後,牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人,這一直持續到虎克去世。

牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,並會因加速通過光密介質而折射,但他也不得不將它們與聯繫起來,以解釋光的繞射現象。[8]而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋繞射現象。現代的量子力學光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。

1675年的著作《解釋光屬性的解說》(Hypothesis Explaining the Properties of Light)中,牛頓假定了以太的存在,認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學亨利·莫爾(Henry More)接觸後重新燃起了對煉金術的興趣,並改用源於漢密斯神智學(Hermeticism)中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋,替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說:「牛頓不是理性時代的第一人,他是最後的一位煉金術士。」[9]但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關[10],而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用,他可能也不會發展出他的重力理論。(參見艾薩克·牛頓的神秘學研究

1704年,牛頓著成《光學》,其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的,而普通物質是由較粗微粒組成,並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎?物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力(Activity)嗎?[11]牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機[12]

[]力學和重力

牛頓自己的《原理》副本,並帶有為第二版所作的修正

1679年,牛頓重新回到力學的研究中:重力及其對行星軌道的作用、克卜勒的行星運動定律、與虎克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(1684)一書中,該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。

自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版于1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的重力(gravity)命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。

由於《原理》的成就,牛頓得到了國際性的認可,併為他贏得了一大群支持者:牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法西奧·德丟列建立了非常親密的關係,直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱

[編輯]晚年生活

艾薩克·牛頓晚年畫像1712年。繪製于Sir James Thornhill

牛頓在1690年代寫了很多處理聖經的文字解釋的宗教小冊子Henry More 的宇宙信仰和拒絕笛卡爾二元論影響了牛頓的宗教觀念。在他發給約翰·洛克的一個從未發表的手稿中,他爭議了三位一體的存在性。晚年著作—《The Chronology of Ancient Kingdoms Amended》(1728)和《Observations Upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John》(1733)&md

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1. 台灣師大物理系  物理示範教學實驗室

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2. 交通大學電子物理系 普通物理教學網

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3. 中央大學物理系 物理演示實驗DeMo

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