名師這樣教物理秒懂：國中沒聽懂、高中變天書，圖解基礎觀念，一次救回來

名人推薦：北一女中物理教師／簡麗賢

國立自然科學博物館館長／孫維新

物理教學影片YouTuber／吳旭明

搭捷運最有感覺的力—─慣性力與離心力

搭捷運時，若列車突然緊急煞車，身體就會往前傾。如果是平常站在平地上，卻感覺到身體前傾的話，那一定是突然被誰推了一下，或是拉了一把。所以這樣說來，在突然煞車的列車車廂裡頭，也有人推了你一把？如果是這樣的話，別人的手應該會接觸到自己的背部。但事實上，在列車中明明沒有人碰到你，卻會有被推的感覺。像這樣明明沒有接觸點，也就是沒有直接的外力作用下，卻感覺被推了一下的情況，一般稱這種無形的力為假想力。物理學上稱為慣性力。

在突然煞車的列車車廂中，我們會說「有一股往前的慣性力作用」。緊急煞車時，如果仔細觀察，會發現吊環往前傾。如果有一輛列車，車廂中看不到窗外景色，聽不到任何聲音，也沒有任何搖晃的話，儘管乘客無法感受到列車正在移動，但可以透過吊環的傾斜方向，進而得知正在煞車、速度正在變慢。列車若是靜止，吊環自然就不會傾斜。那麼，如果保持等速直線移動，會怎麼樣呢？此時吊環也不會傾斜。換句話說，對乘客來說，列車是靜止的，抑或是保持等速移動都沒有差別。相反的，如果看到慣性力作用時，就可得知列車正在加速度運動。

汽車在彎道轉彎時，乘客常會覺得好像被往外甩。這也是一種慣性力。於彎道轉彎時，汽車在圓周運動，此時會有往外的慣性力作用。圓周運動時作用的慣性力，一般稱為離心力。圓周運動也是加速度運動的一種。

為什麼火箭發射的地點都選在赤道附近？

許多國家都會將火箭發射基地的設置地點，選在離赤道近的低緯度區域。其中一部分理由如以下幾點：

（1）重力比高緯度地區小，可減少發射時需要的力。

（2）地球自轉產生的離心力最大，可借力使力。

（3）因地球自轉，地面速度較快，可以較大初速發射。

各位是否注意到，這三個理由中，實際上除了第一點之外，全都只是換句話說而已。首先，嚴格來說，地表的重力是地心引力扣掉因地球自轉產生的離心力。因此（1）與（2）的意思幾乎是相同的。

另外，離心力的產生，是因為地面上的物體擁有因地球自轉而生的速度（從物體外部來看），因此（2）與（3）也只是換句話說而已。

先前之所以說「除了第一點之外」，是因為事實上地球本身的形狀略往赤道方向膨脹，也是造成低緯度地區重力較小的因素。

日本的兩個火箭發射基地均位於鹿兒島縣（種子島、內之浦）。因其緯度為北緯30度，儘管就國內來說已算靠近赤道，但一般還是認為不利於發射。不過與赤道的重力相比，只不過相差八百分之一，或許還不至於構成這麼大的差異。

發現電：靜電讓人討厭，卻不可或缺

電能的「電」究竟代表什麼意思？在字典的定義中，「電」字除去上面的「雨」之後的部分，據說代表「閃電」。也就是與「雷」幾乎同義。那麼，英文中的電是「electricity」，這個字在英文的語源又是指什麼？其實這是來自希臘文中的「琥珀」。在古希臘時代，人們知道只要一摩擦琥珀，就會產生劈哩啪啦的聲音，這稱為摩擦起電。

直到之後的時代，人們才了解原來這兩種電是一樣的東西。在這之前，人們都認為雷是「可怕的東西」，而摩擦起電「只能拿來當作嚇嚇人的魔術，一點用都沒有」。法拉第（Michael Faraday，1791～1867）這位有名的科學家甚至說過：「研究電這種東西到底有什麼用！」這句話，留下了一段趣聞。十九世紀中期之前，電學只是科學家研究的對象，大家從未想過可以實際運用電。在日本也曾有一位名為平賀源內（1728～1780）的人物，他成功製作出一個靜電產生裝置（electriciteit，荷語），讓周圍的人們大吃一驚。

在人們開始實際運用電之前，電都是靠摩擦起電產生的。摩擦的東西從一開始的琥珀轉變成硫磺、玻璃，但生電的方式完全沒有進步。甚至，富蘭克林（1706～1790）當時也留下了一段魯莽嘗試放風箏收集雷電電能的傳說。隨後使用萊登瓶（日文音同雷電瓶，但萊登為荷蘭地名）儲存靜電，是從這個時候開始形成的。這也是本書之後介紹的電容器的雛型。

靠摩擦產生的電，常會使人嚇一大跳。懂電的人或許只會說「電剛剛流過了」，這種靠摩擦起電產生的電就稱為「靜電」。這種電與從插座或是電池中得到的「電」不同，因為人類無法自由使用。

冬天空氣乾燥，之所以碰到金屬時常會觸電，或是衣服容易糾纏在一起，這是因為表面附著了大量靜電並一次釋放的關係。空氣中有水分時，靜電會慢慢釋放（不易積累）。另外，可以採取一些方法讓積累的靜電慢慢釋放（例如不要以指尖碰門把，而以整隻手掌觸摸），就可降低靜電的影響。

可能有很多人覺得「靜電這種東西，還是沒有比較好」。不過，在生活中，靜電也扮演了很重要的角色，例如影印機。影印機是靠靜電讓黑色粉末（碳粉）附著在紙上的。

電動車受重視，不只是因為環保

油電混合車現在已經相當普及了。一般指的是可以從汽油及蓄電池兩種動力來源獲得能量的車種。靠現今的蓄電池，車子沒辦法行走長距離，因此長途車程還是需要汽油引擎。

不過，若車上裝載蓄電池，可將踩剎車時耗費能量的一部分以電能形式回收再利用。具有再生制動（又稱反饋制動）煞車機制的新幹線，也利用類似的原理。一般的汽油引擎車剎車時，車輛的動能會全數轉化成熱能逸散，無法回收。

電動車可大致分為兩大類，其一是本身就搭載可發電電池的車種，另一種是必須靠外接電源將電充進蓄電池的車種。目前逐漸實際運用的，是以外接電源將電充進蓄電池的車種。先將電能暫時轉換成化學能後，再將化學能轉為電能使用。

以可發電電池為動力來源的車輛，分為利用燃料電池（利用化學變化）與太陽能電池（光電池）兩種。以燃料電池為動力來源的車輛中，最有名的就是以氫氣為燃料的車了。而日本電視節目《THE！鐵腕！DASH！》中，出現一輛名叫「彈吉（だん吉）」的車子，裝載的則是太陽能板。但光靠太陽能發電，只能提供車輛運轉的部分能量。電池形式的電動車，可說是未來主要的技術。

那麼，為何電動車及油電混合車會比汽油車更受大眾注目呢？其原因不僅僅只是「環保」而已，更重要的是「效率」。

汽油車運轉時，先將化學變化產生的能量轉成熱能，再轉換成動能。事實上，這是相當沒效率的做法，最後利用的能量大約只有原來的三分之一而已。

發電廠雖然也採用同樣的方法發電，但因為規模大，效率會好一些。關鍵是，電動車用馬達將電能轉換成動能，效率會好很多。

不論如何，要使用能量，就必須先有原來的能量。儘管一般認為自然能源是可再生的綠能，但大致上其實也是太陽能的產物。

搭捷運最有感覺的力—─慣性力與離心力

搭捷運時，若列車突然緊急煞車，身體就會往前傾。如果是平常站在平地上，卻感覺到身體前傾的話，那一定是突然被誰推了一下，或是拉了一把。所以這樣說來，在突然煞車的列車車廂裡頭，也有人推了你一把？如果是這樣的話，別人的手應該會接觸到自己的背部。但事實上，在列車中明明沒有人碰到你，卻會有被推的感覺。像這樣明明沒有接觸點，也就是沒有直接的外力作用下，卻感覺被推了一下的情況，一般稱這種無形的力為假想力。物理學上稱為慣性力。

在突然煞車的列車車廂中，我們會說「有一股往前的慣...

推薦序

學習高中物理三部曲——閱讀、理解與應用

北一女中物理教師／簡麗賢

如果調查臺灣的高中生課業學習的問題：「你認為最難的科目是哪一科？為什麼？」相信回答「物理」的人數，可能排在第一名或第二名，尤其是理組（第二類及第三類組）的學生，理由最可能是「很抽象，公式多，考題難」。

在我的高中物理教學經驗中，學生認為學習科目中最難的，物理確實排在前兩名，與數學「不分軒輊」，原因不外乎是需要理解、要花很多時間思考、有些單元很抽象，例如力學、光學和電磁學，以及需要應用數學分析和推導結論公式，擔憂「學校考試的題目很難，有時看不懂題目」。

面對學生學習高中物理的困擾，身為教師的我責無旁貸，應協助學生面對問題、找出困擾原因，提供有效的學習途徑以解決問題。

當學生問我：「究竟要如何學好高中物理？」或「我怎麼樣才能在物理考試獲得高分？」這樣的問題真是「大哉問」。物理成績能不能得高分？這與教師物理試題評量設計有關，包含命題的主題是否都在課堂上教過？難易度是否掌握得宜？題數是否適宜？是否提供學生足夠時間思考題目？題目敘述是否清楚易懂？題目情境是否合理？

如果不討論「物理題目設計得好不好？」，那麼物理成績不佳的原因與學習的態度和方法有關，包含學習態度常常「考前抱佛腳」，認為「背」物理公式就可以應付；如果學習方法是「五不」，也就是「不專心上課、不作筆記、不閱讀課本、不理解思考、不複習主題內容」，成績不佳自然是「理所當然」。

如何提升高中物理的學習效率？建議從學習態度和方法著手。高中物理的內容主題多元，包含力學、波動、光學、電磁學、近代物理與現代科技等，每一單元都與生活有關，生活中有物理，物理在生活中，因此學習物理至少應包含三部曲，即「閱讀、理解、應用」。

要建立物理概念，必須先吸收物理知識，除了上課認真聽老師講授外，「閱讀」物理書和課本教材絕對必要，這是「君子務本，本立而道生」的概念，「閱讀」是建立物理「基本」概念最好的方法。在閱讀中要培養耐心「理解」基本概念的習慣，學不躐等、盈科後進，一步一腳印，並且能與生活或新聞的話題結合，將物理概念「應用」在這些議題中。

因為教學需要，我常閱讀物理書籍與雜誌，也常蒐集與閱讀其他國家的物理教科書和科普書。日前有緣閱讀大是文化出版的《名師這樣教　物理秒懂》，內容多元而豐富，繪圖生動而吸睛，以概念為主，不特別強調數學推導，舉例亦以生活應用為範疇，很適合幫助高中學生掌握「閱讀、理解與應用」的學習三部曲，成為學習高中物理的「良師益友」。

推薦序

學習高中物理三部曲——閱讀、理解與應用

北一女中物理教師／簡麗賢

如果調查臺灣的高中生課業學習的問題：「你認為最難的科目是哪一科？為什麼？」相信回答「物理」的人數，可能排在第一名或第二名，尤其是理組（第二類及第三類組）的學生，理由最可能是「很抽象，公式多，考題難」。

在我的高中物理教學經驗中，學生認為學習科目中最難的，物理確實排在前兩名，與數學「不分軒輊」，原因不外乎是需要理解、要花很多時間思考、有些單元很抽象，例如力學、光學和電磁學，以及需要應用數學分析和推導結論公式，擔憂「學校考試的...

前言

物理——量化現象並透過觀察與實驗，探討大自然原理的學問

「物理」學習的是物體的原理，從天體運動到基本粒子，物理可說與自然界中的所有狀況息息相關，也有「探討物體的基本性質與運動」的特色。物理盡可能的將現象簡化，以定量表示，並透過觀察與實驗，找出橫跨各種自然現象的共通法則，並探討大自然的原理。

也因為物理的基本法則貫通在身邊各種現象中，透過學習物理，便可以用科學的角度看眼前的世界。

高中學習的物理，內容不外乎「力學」、「熱學」、「波動」、「電學與磁學」及「原子學」等五大項目。本書從中特別選出「力學」、「功與能」、「熱力學」、「電學」、「電磁學」、以及「波動」等六個項目探討。

不過說到物理，或許有些讀者會回想起過去高中上物理課時，「完全聽不懂老師說什麼」的情況。或許也有人是「因為物理好像很難，所以放棄選修」。其中幾個原因可能是「概念太過抽象」或「數學公式及計算題太多」。另外，大家也可能覺得就算選修了物理，上課不過就是套原理、套公式解題罷了，也因此會覺得物理既「枯燥」又「難懂」吧。

不過，如果思考「運動中的物體，最後一定會停下」這類看似常識的論述，並抽絲剝繭、看穿其中只有單純的「慣性作用」，再用這種法則來預測未來的狀況，就會發現其實學物理，就是學習並了解如何應用這些知識而已。如果在解物理題時，能配合了解物理世界的觀念，相信一定會更有趣。

因此，對於國、高中時不擅物理的讀者，本書盡可能以豐富的圖像解說物理的概念。本書設定的目標讀者群，是因為迫於需要、想要在短時間內通透物理學的基礎，以及想了解現代最新知識的上班族等一般社會大眾。

本書的內容說明，是希望讀者能輕鬆閱讀，並在職場及日常生活中派上用場，以及學習生活在現代所要知道的物理知識。當然，也希望正在學習物理學的高中生及大學生能閱讀本書。

本書共有八名作者，其中包含在高中任教物理多年的教師，以及在大學擔任教職的教授們。本書具有其他類似書籍所沒有的三個特點。

特點①

從中學程度開始，使用大量圖解、淺顯易懂的解釋物理學基礎知識。

特點②

針對在日常生活中及職場上，想從基礎開始學習物理的讀者，精心挑選內容。

特點③

以插畫解說較艱澀的物理概念及法則。

本書遵循上述三大特點，針對一般讀者，以「看故事般有趣」、「內容實用」，以及最重要的「內容易懂」為目的撰寫並順利付梓。

最後，特別感謝為本書繪製可愛插圖的插畫家井上行廣先生，及對本書內容給予寶貴意見、並負責編撰作業的科學書籍編輯部石井顯一先生。

謹代表所有作者

卷健男、浮田裕

前言

物理——量化現象並透過觀察與實驗，探討大自然原理的學問

「物理」學習的是物體的原理，從天體運動到基本粒子，物理可說與自然界中的所有狀況息息相關，也有「探討物體的基本性質與運動」的特色。物理盡可能的將現象簡化，以定量表示，並透過觀察與實驗，找出橫跨各種自然現象的共通法則，並探討大自然的原理。

也因為物理的基本法則貫通在身邊各種現象中，透過學習物理，便可以用科學的角度看眼前的世界。

高中學習的物理，內容不外乎「力學」、「熱學」、「波動」、「電學與磁學」及「原子學」等五大項目。本書從中特別選出「...

推薦序　學習高中物理三部曲——閱讀、理解與應用／簡麗賢
前言　物理——量化現象並透過觀察與實驗，探討大自然原理的學問

第1章 力學：搞懂物體如何平衡、變形和運動
1 質量與加速度
2 力會使物體變形，也會改變運動狀態
3 用箭頭表達力的量值、方向
4 力可以合成、分解
5 只要有作用力，就有反作用力
6 受力平衡時，不一定是靜止的
7 力矩幫你更省力
8 找出物體的重心
9 速度要有方向，速率代表快慢
10 不管物體有多重，落下速度都相同
11 斜拋運動是垂直及水平運動的結合
12 慣性：物體無法馬上運動，也無法立刻靜止
13 速度和加速度越大，力越大
14 搭捷運最有感覺的力——慣性力與離心力
15 萬物之間都有引力，誰離不開誰？
16 利用既有單位，創新單位
專欄01 為何滑冰選手旋轉時，要收起手臂？

第2章 物理的「功」與「能」，有什麼功能？
1 出力的同時位移，才是作功
2 為什麼搬了重物，作功竟然是零？
3 靜力平衡：施力Ｎ焦耳，但「虛功」
4 利用「虛功原理」，探討物體組合維持平衡的條件
5 想省力，臂就得拉長一點
6 用距離換取省力：斜坡、滑輪
7 用「功」的原理來設計機器
8 能量＝作功的能力，一定要運動
9 要給它動能，就必須對它作功
10 重力可形成位能，世界不該是平的
11 預測物體行進，用力學能守恆律
12 巨蛋屋頂蓋多高？
13 力學能會化為摩擦力流失
14 「發」電？其實是能量的轉移
專欄02 為什麼火箭發射的地點都選在赤道附近？

第3章 熱力學：分子運動的速度與能量的轉移
1 熱會移動，但溫度不會
2 溫度其實是分子運動的速度
3 導熱能力不同，因為比熱不同
4 熱能不是內能，差別在一動一靜
5 熱力學定律有三種
6 熵：評估有效能量的減少程度
7 永動機真的不可能存在嗎？
8 超導體的原理與用途

第4章 電學——發電與儲電，都是顯學
1 發現電：靜電讓人討厭，卻不可或缺
2 製造電：電的真面目是原子中的「電子」
3 使用大量的電：電學這才得以發展
4 電流像水流，電阻能發光發熱
5 乾電池：低電壓也可以產生大電流
6 電壓：電流乘以電阻
7 串聯：電流不變，各自電壓變小
8 並聯：電壓不變，用電變多
9 一度電是幾千瓦？
10 發電過程，會有能量變成熱而流失
11 變壓、整流，還要轉換頻率
12 電的儲存與電容
13 電動車受重視，不只是因為環保
專欄03 電力儲存——改變世界的關鍵科技

第5章 電磁學：發電、醫學、遙控器
1 電荷形成「場」，相吸或相斥
2 「場」的樣貌：用正電荷的移動軌跡畫出電力線
3 硬把相斥同極送作堆，所花的功叫做電位差
4 電波干擾，收不到訊——靜電屏蔽
5 絕緣體也能帶電
6 磁鐵切半，磁力為何減半？
7 自然現象與醫療科技都用到電磁學
8 電流會產生磁場——右手定則
9 欲拒還迎——電磁感應
10 送電與變壓
11 紅外線和Ｘ光，都是電磁波
12 在電暖爐旁不會曬黑，因為是紅外線
專欄04 所有粒子都有波動性，包括我們

第6章 波：萬物都與波有關，包含你、我
1 波不是「物體」，而是現象
2 橫波與縱波
3 波與圓周運動、簡諧運動
4 生活中的各種波
5 波的性質——疊加、折射、反射、繞射
6 波的現代科學應用

參考文獻
索引

推薦序　學習高中物理三部曲——閱讀、理解與應用／簡麗賢
前言　物理——量化現象並透過觀察與實驗，探討大自然原理的學問

第1章 力學：搞懂物體如何平衡、變形和運動
1 質量與加速度
2 力會使物體變形，也會改變運動狀態
3 用箭頭表達力的量值、方向
4 力可以合成、分解
5 只要有作用力，就有反作用力
6 受力平衡時，不一定是靜止的
7 力矩幫你更省力
8 找出物體的重心
9 速度要有方向，速率代表快慢
10 不管物體有多重，落下速度都相同
11 斜拋運動是垂直及水平運動的結合
12 慣性：物體無法馬上運動，也無法立刻靜止
...