6物理学化学与物质科学.ppt

第六章物理學、化學與物質科學 6.1 牛頓力學與聲學 6.1.1 慣性定律與加速度 慣性定律：「物體在未受力或在力平衡時，靜者恆靜，動者則恆以等速度運動」。例如當火箭或太空船進入太空之後，此時如果關閉引擎，而火箭或太空船仍然能夠以等速度繼續前進，此即為動者恆動 力的大小等於物體質量（m）乘以加速度（a），亦即F=ma 6.1.2 反作用定律 反作用定律：當A物體施以一個力量在B物體上時，B物體會同時施以一個大小相同但方向相反的作用力在A物體上 反作用定律可描述火箭、噴射機的飛行原理。而一般人使用步槍打靶時，肩膀也常會因子彈發射時產生的反作用力而疼痛 6.1.3 動量守恆定律 直線運動的質點或物體，其動量為質量乘以速度；進行圓周運動的質點或物體，其角動量則為質量乘以速度乘以運動半徑。而在無外力的情況下，直線動量與角動量均固定不變，此稱之為動量守恆定律 角動量守恆現象可解釋以下現象：當冰上芭蕾舞者在單腳著地旋轉時，如果手臂張開，則運動半徑變大，所以此時其旋轉速度會變慢 6.1.4 萬有引力定律 兩物體之間會有一股互相吸引的力量，稱為萬有引力。萬有引力的大小與距離的平方呈反比，因此距離越遠則萬有引力越小 萬有引力存在於整個宇宙之內，例如恆星與行星之間，須靠萬有引力產生交互作用，如此行星才會繞著恆星公轉 6.1.5 等速率圓周運動 等速率圓周運動之原理在牛頓當時即已提出，它可用來計算同步衛星軌道 同步衛星為與地球自轉速度相同之人造衛星，因為同步衛星的速度與地球自轉同步，所以從地球上看同步衛星便好像靜止不動，如此地面衛星站之發射與接收天線便不需要時時改變其仰角，對通訊而言較方便 不論同步衛星質量大小為何，其距離地球表面之高度都一樣 6.1.6 聲學簡介 聲學是研究介質中機械波(聲波)的科學，研究範圍包括聲波的產生，接受，轉換和聲波的各種效應 聲音是由物體振動產生的，它可在氣體、液體和固體中傳播，但不能在真空中傳播。一般而言，在固體中傳播的速度最快，液體次之，在氣體中傳播得最慢 響度、音調與音色 聲音的強弱稱為響度，響度大小與振動的幅度有關，振動幅度越大，響度越大。分貝(dB)則用來表示聲音的強弱 聲音的高低稱為音調。音調高低與振動快慢有關，物體振動頻率越大，音調就越高，頻率的單位為赫茲(Hertz, Hz)。正常人的耳朵只能聽到20Hz到20000Hz之間的聲音。通常把高於20000HZ的聲音稱為超音波，低於20Hz的聲音稱為次音波 不同物體發出相同頻率的聲音，其音色是不同的 八度音程與十二平均律 八度音程：某聲音之頻率之兩倍為其高八度音，而順序則為Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si、高八度之Do。例如鋼琴中央A(C大調之La)音之頻率為440赫茲，其高八度之A音之頻率為880赫茲，其低八度之A音之頻率則為220赫茲 十二平均律是一種音樂律制，將一個八度音程平均分成十二等份(例如Do、＃Do、Re、＃Re、Mi、Fa、＃Fa、So、＃So、La、＃La、Si)，每個音的頻率為前一個音的21/12倍，為今日最主要之調音法 八度音程與十二平均律(續) 中國明代音樂家朱載堉於明神宗萬歷十二年(1584年)首次提出將八度音等分為十二等分的演算法，並製造出世界上最早的十二平均律樂器 德國作曲家巴哈(Bach)於1722年發表「平均律鍵盤曲集」，從此之後歐美各國的調律都採用十二平均律 鋼琴小品曲─Silvery Waves、少女的祈禱、土耳其進行曲 Paganini小提琴曲─摩西變奏曲、鐘、Paganini第一號小提琴協奏曲第三樂章 男高音的極限之例─Vitas、九孔、Pavarotti、Carreras 、Domingo 女高音的極限之例─夜之后(Mozart歌劇「魔笛」) 男中音之例─快樂的捕鳥人Papageno(魔笛) 男聲假音之例(與女中音比較)─歌劇「蝙蝠」之Ich lade gern mir Gaeste ein 6.2 熱力學的發展 熱是一種傳送中的能量。物體的原子或分子透過隨機運動，把能量由較熱的物體傳往較冷的物體 1714年，德國人華倫海特（Fahrenheit）即發明華氏溫度座標，1742年，瑞典人攝爾修斯（Celsius）則發明攝氏溫度座標 1843年，英國人焦耳（Joule）以實驗證明了熱即是能量 熱力學是專門探討能量內涵、能量轉換以及能量與物質間交互作用的科學，熱力學的應用範圍很廣，包括熱對流、設計引擎、渦輪機、壓縮機、幫浦、發電機、推進器、燃燒系統、冷凍空調系統、能源替代系統等，以及分析熱傳導等現象 熱對流的應用─走馬燈 熱力學定律 熱力學第零定律：把兩物體放在一絕熱系統中，亦即在沒有熱量的進入及流出下，經過一段時間後，兩物體必達到溫度相同的狀態，也就是熱平衡的狀態 熱力學第一定律：