內容簡介:
「不論是棒球賽、打電動或是團體遊戲,若你不了解規則,任何遊戲都無趣。你會錯過別人享受到的樂趣,就像一般人聽不到音樂家所聽出的樂音,或品嚐不到廚師咀嚼到的滋味。同樣的,一個熟知大自然規則的人,會比其他人更能欣賞大自然的美妙。衛星依循的規則其實和投棒球的原理一樣,若你學會了這一點,你對電視上太空人的觀點將會改變。在了解光的原理後,你看藍天、白雲和彩虹的方式也會不同。生命的豐富,不只在於用寬廣的視野來看世界,更要知道我們在追尋什麼。」本書作者休伊特說道。

物理學不只是物質科學的一部分,它可以說是所有科學的最根本基礎。《觀念物理》的第Ⅰ冊就要從「力學」開始講起,看看牛頓如何改變我們看待這個世界的方式;而物理學裡最偉大的通則之一:能量守恆定律,又是如何主宰了全人類。

作者:
休伊特

譯者:
常雲惠

內文試閱:
「運動」總是出現在我們的生活中。我們可以從人們每天的活動、高速公路的車流、隨風搖曳的樹枝中看到運動現象;甚至只要你多花點耐心,也可以發現閃耀夜空的星星,其實不是靜止不動的。還有一種在微觀世界中的運動,是我們用肉眼無法直接看到的:原子的碰撞產生光和熱、電子的流動產生電,而電子的振動得以製造出收音機與電視。即使是讓我們可以看見運動現象的光,都是由原子裡振動的電子所造成的。的確,運動可說是無所不在。
運動很容易看得出來,但是卻很難用言語描述。早在二千多年前,希臘的科學家對我們當今所研究的許多物理觀念,其實已經有相當好的了解,即使如此,他們對於運動的描述,還是有許多困難,這是因為他們缺乏變化率(rate,簡稱率)的概念。某個數量除以時間,就是所謂的變化率。變化率可以用來表示事情發生得有多快,或是在某段時間內,事情改變的程度(量)。在本章中,我們將用速率、速度以及加速度三個已知的變化率,來描述運動現象。如果本章的內容,足以讓你精熟這幾個概念,再好不過了,但是只要你能熟悉它們,且能區分它們之間的差異,其實也就足夠了。因此在這兒我們的注意力將集中在最簡單的運動型態上,也就是沿著直線路徑進行的運動——直線運動。我們會在第三章中,把這些概念延伸,加入沿著曲線路徑進行的運動。再接下來的章節,則會逐漸加深你對運動觀念的了解。
2.1 運動是相對的
每一種東西都會移動。即便是表面上看起來靜止的東西,其實也都在移動,這是對於或相對於太陽或遠處的恆星來說。例如一本相對於桌子是靜止不動的書,但相對於太陽,卻是以每秒30公里的速率在移動著。若是相對於星系中心而言,這本書的運動甚至還要更快。當我們在討論某物的運動狀態時,其實我們所說的,是指該物體相對於另一個物體時。例如,當我們說太空梭以每秒8公里發射升空時,我們指的是它與地球之間的相對運動速率。當我們說某輛參加Indy 500(每年5月30日在美國印第安那州州府舉行的賽車比賽)的賽車,車速高達每小時300公里的時候,我們指的當然是它相對於跑道的速率。除非有特別的說明,否則我們在討論週遭某物體的運動速率時,指的便是它與地球表面之間的相對速率。總之,運動是相對的。

2.2 速率
運動中的物體,在已知的時間內,會行經一段距離。以汽車為例,我們常以每小時行走多少公里來描述它。速率是用來測量物體運動的快慢,也就是物體移動距離的變化率。記住,變化率這個字暗示著某個東西除以時間之後的結果。速率永遠是指「單位距離除以單位時間」之後的大小,因此速率的定義是,每單位時間內,物體運動的距離。「每」這個字,含有「除以」的意思。
在敘述速率時,任何好用、方便的距離單位與時間單位的結合,都是合理的,例如每小時若干英里(mi/h)、每小時若干公里(km/h)、每天幾公分(一隻病蝸牛的爬行速率?)或是每世紀若干光年,都是描述速率的合理單位。斜線的記號(/)讀做「每」,我們在這本書中,主要將以每秒幾公尺(m/s)做為速率的單位。
瞬時速率
車子不可能一直用相同的速率行駛,它可能以50 km/h的速率在街上行駛,遇到紅燈減速到0 km/h,然後因為車子流量變大,而只能以30 km/h行駛。你可以從車子儀表板上的速率計知道任何時刻的行車速率,這種在任何瞬間的速率,我們稱它做「瞬時速率」,汽車真正以50 km/h行駛的時間,可能只有一分鐘而已。如果,該車可以維持50 km/h連續行駛一小時,那麼它所行駛的距離便有50公里長。如果它以相同的速率,只行駛半小時,那麼該車所行駛的距離,便只有原先的一半,也就是25公里;假如只有一分鐘,那麼它行駛的距離小於1公里。
平均速率
計劃開車去旅行時,駕駛人通常希望知道開到某一地點需要多少時間。這輛車當然不可能全程都以同樣的速率行駛,所以駕駛人唯一在乎的就是全程的「平均速率」(average speed)。平均速率是以下列的方式定義出來的:

平均速率=行駛的總距離/總時間

要計算平均速率相當簡單。例如,假設我們1個小時內行駛了60公里,則我們的平均速率便是每小時60公里(60 km/h)。或者,我們在4小時內行駛了240公里,那麼

平均速率=行駛的總距離/總時間=240 公里/4小時=60 km/h

注意,當距離是以公里為單位,時間以小時為單位時,計算出來的答案就是每小時幾公里(km/h)。
由於平均速率是運動距離除以所花費的時間,所以平均速率不會顯示汽車在行駛期間的速率變化。實際上,在一段旅程中,我們會經歷各種不同的行車速率,所以平均速率通常都大不同於瞬時速率。然而,不論我們談的是平均速率或是瞬時速率,指的都是行駛路程的變化率。

資料來源:http://www.taaze.tw/sing.html?pid=11304774844