普通物理学 – 电磁学、光学及近代物理

你将学到什么

课程概况

以牛顿为首的古典力学，结合重力解释了从地表到星空中许多肉眼可见物体的运动行为。但是生活中显然还有许多现象，是光靠重力无法解释的。例如你现在正在看的这台电脑，为何不会因为重力穿过桌面落到地上？要详细解释这个现象的起源，就需要用到电磁学的知识。在我们的身边，电与磁的现象以及两者的交互作用事实上不断发生，例如肉眼可见的闪电，在神经中传导的电信号，或是在原子尺度的键结。而所谓的可见光以及光学现象事实上只是强度不断变化的电磁波造成的。所以了解电磁作用对於我们认识这个世界扮演了非常关键的角色。

而且就物理学来说，电磁学提供了一个很好的例子，说明物理学希望用一套简单的理论来解释周围所有现象的企图。例如电与磁乍看之下是两个毫不相干的现象（想想一根柱状磁铁和一个电池有何相同之处？），但是却透过许多物理学家的努力，发现这两者只是同一个现象的不同表现，并建立了一致的理论。而这套”简单的”电磁学理论（可缩减到只有四个方程式），却可以用来非常精确的预测许多生活中的物理现象，例如发电机，无线电传输，以及光速等。

在十九世纪末期，当力学与电磁学都已经发展到相当完备的程度时，英国著名的物理学家Kelvin爵士曾感叹「晴朗的天空只剩下远方的两朵小乌云，物理学家们今后的工作，只不过剩下把数字算得更精确罢了！」。但是没想到就是这两个在光学上的实验无法解释（小乌云），因而促成了二十世纪近代物理的两大发现，亦即相对论与量子力学。

这门课希望以浅显易懂的内容，引领听眾从电磁学看到近代物理的发展，是如何剧烈地改变了我们人类对於大自然的认知方式。并能欣赏物理中使用数学作为语言的美丽，一些简单的方程式，如何能告诉我们世界怎麼运转？

课程大纲

周1
完成时间为 8 小时
Week 1 靜電學：電荷與電場概念簡介
大家好，普通物理課程已經進入第一講，主題是「靜電學」。 在這門普通物理學課程中，除了介紹物理定律外，更希望強調的是生活上有哪些地方與這些物理概念有關，以及當初這些科學家是如何想到這樣的定律的。在這一講中，我們將從生活中以及歷史上的電現象開始，引入理論的思考，介紹電場和電位差的概念，以及庫侖定律與高斯定律等。希望讓大家看到科學家在想事情時，也多半是用非常直觀的類比想像。最後則談到電容這個儲電元件的原理，還有在生活中有哪些應用。 希望能激發大家的思考，以及對生活
周圍更細緻的觀察。
9 个视频 （总计 126 分钟）, 2 个阅读材料, 4 个测验

周2
完成时间为 4 小时
Week 2 會動的電荷：電流
歡迎進入普通物理課程第二週。第二講的主題是「電流」，上一講提到的是靜止的電荷，這一講中的電荷就開始活躍起來，會運動了。這一講中會介紹電流的發現過程，電阻的概念，以及相當坎坷的歐姆定律。有了電阻與電容，就可以開始做出很多有趣的電路，所以在這一講會介紹一些基本的電路分析概念。同時並用人體神經中的電信號傳導做範例，看看神經傳導如何用電路分析來思考。課程中引入相當多的示範實驗，儘量都用生活中的例子，希望能引起大家的興趣，並能對物理學如何與生活連結有更清楚的認識。
7 个视频 （总计 115 分钟）, 3 个测验

周3
完成时间为 6 小时
Week 3 神秘的磁場
第三講的主題是「磁場」，主要針對靜磁場的概念探討。 如同介紹靜電學時，遇到一個新的物理特性，我們將先從歷史上以及生活
周圍可以觀察到的現象開始。接下來則是和各位探討當初科學家是如何觀察磁場與力的關係，並進而發現電與磁原來是一體的兩面，而有了安培定律以及法拉第感應定律來描述這個電磁相通的現象。最後則是從感應定律引出一個生活中常用的電路元件稱為電感，並和大家簡單說明可以儲存磁能的電感對電路系統的影響。
6 个视频 （总计 119 分钟）, 1 个阅读材料, 4 个测验

周4
完成时间为 6 小时
Week 4 電與磁的完美結合
第四講的主題是「電磁波」，這一講描述十九世紀下半葉，由馬克士威領軍，對人類理解世界的概念產生重大影響的過程，非常精彩。雖然會用稍微多一點數學，但是希望各位能夠從中間看出對稱性的美妙。以及能夠理解馬克士威如何透過對於數學形式的思考，發現電磁可以形成波動的概念。因此可以知道，數學真的是描述物理非常重要的語言。
6 个视频 （总计 90 分钟）, 4 个测验

周5
完成时间为 4 小时
Week 5 光學
第五講的主題是「光學」，光在生活中可說無處不在。 我們在這一講中，同樣從歷史與生活的角度出發，帶大家認識光與物質交互作用的各個不同面向，包括反射、折射、散射、偏振、干涉、繞射等。邀請大家一起感受光學的神奇世界。
7 个视频 （总计 133 分钟）, 1 个阅读材料, 3 个测验

周6
完成时间为 2 小时
Week 6 相對論
第六講的主題是「相對論」，這可以說是二十世紀物理學最重要的進展之一。承續著前一節的光學主題，我們從量光速的歷史進展出發，讓大家看到在十九世紀末，物理學所遭遇的困難（一朵烏雲）以及由此誕生的巨大概念轉折。 在這一講中，希望大家可以看到愛因斯坦在二十世紀初，是如何想到狹義相對論？為什麼說這幾乎是歷史的必然？相對論的內容，到底是什麼與什麼相對？為什麼說這是個違反直觀概念的理論？透過儘量深入淺出地描述，讓大家看到可說是世界上最出名的物理方程式 E = mc^2 到底和相對論有什麼關係？還有看起來這麼抽象的理論，和我們的生活真的有關係嗎？這些問題都希望各位可以在看完這一講後，獲得理解。
6 个视频 （总计 84 分钟）, 3 个测验

周7
完成时间为 4 小时
Week 7 量子的概念
第七講的主題則是「量子力學」，和相對論一起，構成所謂近代物理學的基石。很巧的是，量子力學的誕生，也和光的量測有很大的關係，包括黑體輻射和光電效應。 我們會先從說明何謂黑體輻射開始，讓大家理解二十世紀初物理學天空中的另一朵烏雲，並讓大家看到再一次看到科學家是如何先猜出完全違反直覺的答案，再慢慢透過各種實驗證明猜想的正確。在量子力學的世界中，我們將會介紹三個主要的概念，一是能量不連續，二是物質同時具有波動與粒子特性，三是測不準原理。最後並稍微簡單介紹目前我們對原子結構的理解。

预备知识

须具备微积分基础，以及对於基础牛顿力学和波动力学的概念。