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通識教育中心　九十五學年度第二學期 科普經典導讀 GENS-352-01-A1 漫遊物理世界 A Physics Odyssey in the New Century

通識教育中心　九十五學年度第二學期 科普經典導讀 GENS-352-01-A1 漫遊物理世界 A Physics Odyssey in the New Century. 授課教師 金升光 上課時間　週二下午 13:10~15:00. 力學一. 從天文學到牛頓力學 克卜勒定律 牛頓運動定律 行星的發現 微積分初步 虎克定律與簡諧運動 萬有引力定律 行星運動 , 三體問題. Galilei, Galileo (1564-1642). 望遠鏡與天文學. 2009 世界天文年. 伽利略 1609 年 起用自製的望遠鏡觀測星空

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通識教育中心　九十五學年度第二學期 科普經典導讀 GENS-352-01-A1 漫遊物理世界 A Physics Odyssey in the New Century

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Presentation Transcript

  1. 通識教育中心　九十五學年度第二學期科普經典導讀GENS-352-01-A1 漫遊物理世界A Physics Odyssey in the New Century 授課教師 金升光 上課時間　週二下午13:10~15:00

  2. 力學一 • 從天文學到牛頓力學 • 克卜勒定律 • 牛頓運動定律 • 行星的發現 • 微積分初步 • 虎克定律與簡諧運動 • 萬有引力定律 • 行星運動,三體問題

  3. Galilei, Galileo (1564-1642)

  4. 望遠鏡與天文學 2009世界天文年 伽利略1609年起用自製的望遠鏡觀測星空 1610年1月7日利用望遠鏡發現了木星的四大衛星

  5. 行星在天球上的運動(順行與逆行)

  6. 行星在天球上的運動(順行與逆行) 是一種相對運動 觀察者

  7. 行星在天球上的運動(順行與逆行) (2005~2006年火星在天球上的運行軌跡)

  8. Kepler, Johannes (1571-1630)

  9. 克卜勒的正多面體行星軌道模型(圓形軌道)

  10. 克卜勒定律 (橢圓軌道) • 行星運行於橢圓形軌道,太陽在其中的一個焦點上

  11. 克卜勒定律 (等面積定律) • 從太陽到行星的連線在相同的時間內掃過相同的面積

  12. 克卜勒定律 (諧和律) • 行星週期的平方和行星到太陽平均距離的三次方成正比 冥王星 海王星 天王星 火星 地球 土星 金星 木星 水星

  13. Newton, Isaac (1642-1727)

  14. 牛頓運動定律 • 第一定律: • 物體如不受外力,則靜者恆靜,動者恆以等速繼續運動 • 第二定律: • 物體動量的變化率等於作用於此物體上之力 • 第三定律: • 作用與反作用,其值相等但方向相反

  15. 太陽系的新疆界 • 1610 伽利略發現了木星的四大衛星 • 1687牛頓：萬有引力定律 • 1705 哈雷預測(哈雷)彗星回歸 • 1781 赫歇耳發現天王星 • 1799 拉普拉斯的『天體力學』出版 • 1801 發現第一顆小行星(穀神星) • 1802 發現第二顆小行星(智神星) • 1804 發現第三顆小行星(婚神星) • 1807 發現第四顆小行星(灶神星) • 1845 發現第五顆小行星(義神星)

  16. 太陽系的新疆界(續) • 1846 發現海王星 • 1894 羅威爾天文台建立 • 1905 羅威爾開始搜尋X行星 • 1930 湯堡發現冥王星 • 1978 發現冥王星有衛星(Charon) • 1992 發現古柏帶天體1992QB1 (15760) • 2005 證實Eris (2003 UB313)比冥王星還大

  17. 木星 古柏帶 太陽系新貌 冥王星 海王星 賽德娜的軌道 圖片來源: http://www.gps.caltech.edu/~mbrown/ Image Credit: NASA/JPL-Caltech/ R. Hurt (SSC-Caltech) 假想中的歐特雲

  18. William Herschel (1738-1822) 1738年在德國出生 1757年到英國成為音樂家 1766年左右對天文學感興趣 1781年3月發現天王星 1787~1789年發現天王星最大的兩顆衛星(Titania & Oberon)及土星的兩顆衛星(Mimas & Enceladus)

  19. 赫歇耳發現紅外線(1800年)

  20. 英王資助赫歇耳建造的望遠鏡 赫歇耳利用這座焦距40英尺,口徑48吋的望遠鏡發現了土星的兩顆衛星(Mimas & Enceladus)

  21. 發現天王星(1781年)之前… • Mayer: 1756 (Sep. 27) • A star in Aquarius • J. Flamsteed: 1690 (Dec. 23) • “34 Tauri” (1712, 1714, 1715) • P. C. Lemonnier: • 1764 & 1769共有12次『觀測記錄』! • J. Bradley: 1753, 1748, 1750 截至1979年為止, 已經發現至少23次的記錄!

  22. Leonhard Euler(1707-1783) 瑞士數學家及物理學家 尤拉 Portrait by Johann Georg Brucker

  23. 波德定律(1772年)亦稱Tituts-Bode定律(1766年) +4 水星 金星 地球 火星 穀神星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星

  24. 第一號小行星：穀神星(Ceres) 哈伯太空望遠鏡所拍攝的穀神星 右圖可看出穀神星的自轉 (週期約9小時) Credit: NASA, ESA, J. Parker (Southwest Research Institute), P. Thomas (Cornell University), L. McFadden (University of Maryland, College Park)and M. Mutchler and Z. Levay (STScI)

  25. Urbain Jean Joseph Le Verrier(1811-1877) 法國天文學家 勒威耶

  26. Vulcan 火和鍛治的神 ©Palettes of Vision Art Galleries 2003 Francois Boucher (1703-1770) “Vulcan Presenting Venus with Arms for Aeneas” oil paintings

  27. 也是『Vulcan』

  28. Vulcan? Picture source: APOD/NCKU (2003-05-27) Picture courtesy: Dominique Dierick

  29. 找到海王星(柏林天文台) Johann Gottfried Galle

  30. 2006年9月是海王星發現160週年

  31. 海王星的預測和發現

  32. 海王星發現的爭議 1845 11月5日 Airy回信給亞當斯 11月10日 勒威耶第一篇報告 1846 6月1日 勒威耶第一篇新行星論文 7月9日 Airy催促Challis搜尋 7月29日 Challis開始觀測 8月31日 勒威耶第二篇論文 9月2日 亞當斯給Airy信:關於新行星 9月10日 英國天文學會 9月23日 德國人找到新行星 11月13日 皇家天文學會會議宣布 John Couch Adams (1819-92) Courtesy National Maritime Museum

  33. 海王星發現的爭議(續) A cartoon published in France at the time of the controversy over the discovery of Neptune.

  34. 掠海王星族(TNO)小行星的大小和總計 1186 km 2400 km TNOs: 1015 Centaurs & SDOs: 182 Neptune Trojans: 4 雙星(或多星)系統成員: 21 (含Pluto, Charon, Nix, Hydra) 2300 km 501 km 523 km 913 km (至2006年九月為止) 灶神星 Vesta 智神星 Pallas 穀神星 Ceres 冥王星 Pluto 冥衛一 Charon Eris (2003 UB313) 1250 km 1056 km 900 km 890 km <1800 km >1500 km ~1500 km 1600 km? Quaoar (2002 LM60) Varuna (2000 WR106) Sedna (2003 VB12) (136472) (2005 FY9) (136108) (2003 EL61) Orcus (2004 DW) Ixion (2001 KX76) (55565) (2002 AW197) MPC (July, 2006): http://cfa-www.harvard.edu/cfa/ps/mpc.html Distant EKOs (The Kuiper Belt Electronic Newsletter) http://www.boulder.swri.edu/ekonews/

  35. 太陽系外的行星 離心率 木星 火星 水星 金星 平均距離（AU)

  36. 微分: 求曲線的斜率(變化率) f(x) 微分 記做 f(x+x) f(x+x)- f(x) f(x) x 三角函數 x+x x x 斜率 = 指數函數與對數函數 範例: 連鎖律:

  37. 積分: 求曲線下的面積(總和) f(x) f(x) f(xi) x x1 x2 xi+x xi x 面積 = 範例: (n -1)

  38. 指數函數,對數函數與自然對數 f (u) (對數函數) (指數函數) 自然對數(以e為底的對數): u x 1 e = 2.7182818… 自然對數也可以用積分來定義

  39. Euler公式與複數表示 虛數部分 實數部分

  40. 牛頓運動定律 • 第一定律: • 物體如不受外力,則靜者恆靜,動者恆以等速繼續運動 • 第二定律: • 物體動量的變化率等於作用於此物體上之力 • 第三定律: • 作用與反作用,其值相等但方向相反

  41. 位移,速度,加速度 x v 位移 速度 t1 t2 t t t2 t1 時間 時間 (加速度) (速度的變化率) (速度) (位移的變化率) (位移) (每一瞬間位移的總和)

  42. 範例 y 方程式 x 邊界條件 m  積分常數 h mg 解 y=0

  43. 範例(續) y x 問:什麼時候 y = 0? m  h mg y=0

  44. 虎克定律 F = - k x 力(F)正比於位移(x),但方向相反 F = - k x k是比例常數 F = m a 平衡位置 x 加速度 F m

  45. 單擺 加速度 F = - mg sin = ma  力與位移方向相反 l 加速度a = m F = mg sin 當角度很小的時候, sin ~  F = mg

  46. 虎克定律與簡諧運動 harmonic oscillation 或是 等速率圓周運動 方程式的解:  或是 簡諧運動 常數

  47. 阻尼震盪(damped oscillation) 阻力 或是 方程式的解:

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