普通物理学 – 电磁学、光学及近代物理

物理学是描述世上质量与能量交互作用的学问,在这门课中我们将为大家介绍近代物理对於世界的认识。我们会从电磁学出发…

国立台湾大学

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普通物理学
  • 分类: 物理
  • 平台: Coursera
  • 语言: 中文

物理学是描述世上质量与能量交互作用的学问,在这门课中我们将为大家介绍近代物理对於世界的认识。我们会从电磁学出发,进展到光学,并进而说明近代物理对人类观念的突破。

课程概述

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?

具体的课程目标为
1. 希望学生可以了解生活中有哪些地方用到电磁学或近代物理的概念,并能用适当的文字叙述
2. 希望学生可以掌握基本的数学模型,用来解释电磁学与近代物理现象

授课大纲

第一周 - 电场概念简介
从电荷与电场开始,生活中哪裡看的到?
超厉害的库仑定律
到底什麼是「场」?
无所不在的高斯对电磁学的贡献

第二周 - 电位能概念简介
重力场有重力位能,那电场有电位能吗?
电阻我知道,但是电容是什麼?
电阻加电容可以做什麼?
欧姆定律好吃吗?

第三周 - 神秘的磁场
换个主题谈磁场,生活中哪裡看的到?
磁场与电流之间的关系 - 很厉害的安培定律
也很厉害的法拉第电磁感应定律
电容储存电能,电感储存磁能
电阻+电容+电感 - 上帝也疯狂

第四周 - 电磁学方程式
马克斯威尔,关键时刻的大胆猜测可以让你歷史留名
从马克斯威尔到电磁波,伟大推导的来临
光就是一种电磁波!你确定吗?

第五周 - 就是那个光!
电磁波的基本与神奇特性
基本特性:偏振,反射,折射
神奇特性:干涉,绕射

第六周 - 相对论从哪冒出来的?
天边的第一朵乌云:光的传播需要介质吗?
爱因斯坦的时空假设:又一个关键时刻的大胆猜测
我的时间和你的时间真的一样吗?
我们看到的长度真的一样吗?
好吧,就算时间跟长度可以不一样,这又跟E=mc^2有什麼关系?

第七周 - 量子力学又是怎麼想到的?
另外一朵乌云:黑体辐射的光谱如何解释?
普朗克的光子说:我们德国人真的很会大胆猜测喔
光电效应:爱因斯坦也来参一脚
光的本质:粒子还是波动?
超神奇的测不準原理

先修知识

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。

参考资料

授课形式

这门课会以演讲授课为主,另外偶尔会搭配实验的演示,让同学对课程内容能够有更深刻的印象。

常见问题解答

1. 这门课程会不会提供上课投影片?
会,上课投影片都可以在授课影片区下载。

2. 课程投影片都是正体中文,能不能提供简体版的?
目前仅提供正体中文投影片,请同学见谅。

3. 我的中文还可以,但是听老师上课还是有点吃力,授课影片可不可以提供英文字幕让我参考?
目前我们没有人力可以完成这项工作,但是很欢迎自愿者帮忙把上课内容翻译成英文。往后若有资源我们也会製作英文字幕给大家。

4. 作业只能使用中文作答吗,我可不可以用英文写?
由於线上课程修课学生背景多元,建议只开放中文,避免学生进入互评系统看不懂其他同学的作业内容。

5. 我不小心记错作业缴交期限了,能不能让我补交作业?
为了保持同儕互评的公平性,因此一但进入作业互评阶段就无法再缴交作业,也没有其他方法可以补交。即使是把作业交给老师或助教,也没有办法让您的作业进入系统评分的流程。因此请务必注意作业缴交的时间。

6. 作业上传可以使用那些格式?
为了确保您的作业在同儕互评时能够正确的呈现,请上传PDF档或影像档 (jpeg, jpg, png, gif)。若真的无法使用以上两种格式,也可以将您的档案上传到云端空间,贴出下载连结,但是使用这种方式,可能会因为每个人电脑系统不同,导致作业格式无法正确被读取。

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