物理学史与测量.docVIP

物理學史與測量 引言 物理學是自然科學的一支，而所謂自然科學則是指對自然界的各種現象、事物作有系統研究的學問。「科學」兩字的英文是science，乃源自拉丁文的字根scientia，意義為「知識(knowledge)」。人類自古以來，從日常生活中觀察到許多現象，也累積了很多知識，人類對這些現象及知識或多或少做了一些探討，但一直要到距今三、四百年前才能把它們建立成為有系統的學問加以研究。後來，隨著文明的進展，在原先的科學中，有些較特殊或應用性比較廣泛的學域紛紛獨立而成新創立的學科。因此，「科學」一詞的意義也須賦予較廣泛的意義。廣義的科學係指經由觀察、實驗、分析、歸納、演繹等過程所建立的有系統、有組織的知識與學問，同時也概括了求得此知識的方法，例如：如何做合理的假設、如何提出一個完整有效的模型、如何正確分析所獲數據等等，均己是棣屬於較廣義的「科學」定義的範圍。 探索科學最原始的動機是為解決生活上的困難。不論古今，人類生活於自然界中，面對自然環境的挑戰，諸如天災地變、洪水猛獸……等等困難，均會竭盡心思去加以克服。探索科學另外的動機是出自人類本能的好奇與懷疑。週而復始的天文變化，不同事象所顯示的共通特徵，均會引起人類想去了解其中的奧祕、深究根本的動機。探索科學的第三個動機是為改善及提升人類自身生活的環境及品質。科學知識的產生與累積，有的只是源自於上述的某一個動機，有的卻是由上述一個以上的動機交織而成的結果。 物理學是一門實驗的科學，它所探討的主要是自然界中發生的現象。但自然現象並不能隨時發生，而且即使發生也往往因為不妥善的環境因素，影響了觀測的可重複性及準確性。因此，為了仔細探究這些自然現象所包含的事理，常需要在特定的場所及時間、控制好的環境及裝置安排實驗，反覆做詳細的觀察。觀察需要測量、整理、歸納及分析，測量得越準確，則往後的整理、歸納及分析就越容易。測量時常需要將某些物理量做數量上的表示或比較，但比較兩個或多個物理量，則需要這些物理量間有共同的基準，這共同的基準稱為單位(unit)。因此，測量的結果就需要包含單位及數值。為了能使眾多的物理量都可以用共同的基準，因此這共同的基準，需要是物理上最基本的概念。我們在緒論中已略述科學可分為基礎科學和應用科學兩種。基礎科學又可分為數學和自然科學；而自然科學則可分為物理科學和生物(或生命)科學。物理科學包括物理、天文、地質和化學等；物理則包括力學、電磁學、光學、熱力學和統計物理學等許多部門。在物理科學中，物理學是居於較基層的地位的，而在物理學的各部門中，力學則居於最基層。整部力學可以建立在三個基本概念上：即空間、時間和質量。這是說：一些自然現象(如太陽系各行星的運動)和日常生活的現象(如撞球遊戲)的觀察、描述和構成定律，只需要上述三個最基本的概念。利用「時間、空間、質量」這三個基本的物理量，可以導出力學中其他的概念。 1-1.物理學與自然科學 科學可分為「自然科學」及「社會科學」兩大類。「自然科學」指的是探索與自然界中物質或能量相關之性質的學問，而「社會科學」則研究與人類社會中物質或精神文明相關的問題，例如心理學、經濟學……等等均屬之。自然科學按研究的對象可分類成「物理的科學」及「生物的科學」兩大領域，「物理的科學」有時也稱為物質科學，它主要研究的是有關自然界中物質組成或組成物間之交互作用相關的一些性質或現象。而「生物的科學」有時也稱為生命科學，它主要研究的則是有關自然界中有生命群體部門的一些現象或分類。物理的科學包括了物理學、天文學、化學、地球科學...等等；而生物的科學包括了動植物學、微生物學、生態學、醫學...等等。「物理學」是「自然科學」的基礎學科，因此，「物理學」所探究的問題，主要是有關物質的性質、組成物質的基本要素及物質間的最基本的交互作用的特性與形式。它所研究的範圍小至微觀粒子的構成以至於龐大宇宙的組成及來源，它不僅包括對自然現象所研究得到的有系統知識，同時也包括探索這些知識的精神與方法。物理學所包含的知識是人類從不同的驗証中所發現及歸納出來，並經有系統的推廣演繹所得的。物理學（包括天文學）在整個自然科學的範疇內，不僅發展較早而且佔著最基本的地位，它和其他自然科學分支的關係也相當密切。 自然科學並不包括數學，數學源屬於人類數數目的觀念，其本質是抽象性的、普遍性的以及邏輯性的，它所研究的對象通常並非是具體的事物。數學的目的雖也是求正確的知識，但它和自然界的一切，並沒有必然的關連，因此數學並不列入自然科學的範圍，但數學與自然科學同時是自然界現象的兩項必備的工具，它們與社會學、經濟學、語文學或其他技術性的學域相比，具有基本上的重要性，因此數學與自然科學也被合稱為「基礎科學」。相對的，其他技術性的學域如電機、土木、化工...等則稱為「應用科學」，應用科學