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   第917期
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電子報內容
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【2019/4/26
pic   科學的傳承與啟發---物理課說故事 【簡麗賢/北一女中物理教師】 pic
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主題圖片
學生參訪國家太空中心,看福衛五號模型,聽牛頓與人造衛星的故事
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    談到高中物理課程,不少人可能以「驚恐」的表情說:「哇!我很怕物理,公式好多,好難算。」

    如果高中物理教學只是解題目,呈現深奧的數學關係式,讓部分學生退避三舍,畢業後聽到物理還驚恐,身為物理教師確實要深思,宜檢視物理教學的方式和內涵。

    儘管高中物理課程強調邏輯與脈絡,重視理論與實驗,然而其科學歷史的演進與科學家的互動,亦相當感人。如果教師能善用科學家的奮鬥歷程,適時引入科學的傳承與啟發,物理課說故事也是迷人的課程。
    談到古典物理學代表人物牛頓,自然想到蘋果樹,「萬有引力定律(law of universal gravitation)」浮現腦海,可能還能朗朗上口「牛頓運動定律」的名詞,有人甚至還能說出牛頓的名言:「我站在巨人的肩膀上,看得更高更遠。」牛頓與蘋果樹的形象確實深烙在不少人的心版。

    高中物理課程談到牛頓,不只是牛頓運動定律和萬有引力定律,還會提到數學微積分和光學三稜鏡色散現象,以及他對光的本質「微粒說」論點。讀過牛頓的理論,學生大概知道牛頓是全球知名的英國科學家,是古典物理學代表人物,集物理學、數學、天文學和哲學家光環於一身。尤其是1687年發表《自然哲學的數學原理》,闡述萬有引力和三大運動定律,奠定後代力學和天文學的深厚基礎,成為現代工程學的基石。

    提到萬有引力定律,可能聯想到人造衛星。人造衛星的概念源自牛頓的想法。牛頓想像衛星的圓周運動可被視為一種特殊的拋體運動。不論水平初速為何,在地表附近水平拋射一物體,物體在第一秒內都會降落大約4.9公尺的高度,倘能逐漸增加初速度,則物體運動的軌跡弧度將會愈來愈接近地球表面的弧度。直到水平拋射的初速度量值恰好能等於或大於一特定數值,物體就不會落到地面,而能在某一高度環繞地球圓周運動。
    人造衛星的想法,對牛頓而言或許只是多年思考的論點之一,卻改變及影響我們現代人的生活,包含通訊、氣象和國防科技的發展與創新。
     回到牛頓的名言:「我站在巨人的肩膀上,看得更高更遠。」這句話背後應該有故事。牛頓在《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)一書,其實整合克卜勒的定律,加上自己的觀點,在 1687 年寫下劃時代的「萬有引力定律」。

    克卜勒是誰?接受過臺灣的科學教育的人,一定知道牛頓,卻未必能說出克卜勒。克卜勒影響牛頓的思維,許多人或許不清楚。從科學歷史的演進,克卜勒的代表作「行星運動定律」啟發牛頓的「萬有引力定律」。
    克卜勒是知名的德國天文物理學家 師承丹麥天文學家第谷,擔任研究助理,第谷過世後,克卜勒繼承第谷多年累積的大量數據,以數學方法將珍貴的科學遺產化成重要的行星運動定律,證實哥白尼對火星運行的說法。
    科學家成功的背後往往隱藏不為人知的艱辛。克卜勒為了要確定太陽的位置不是在正圓的圓心,花費五年漫長時間,焚膏繼晷,孜孜矻矻,重複七十餘次的計算,逐步修正,先後提出著名的「行星運動三定律」。
    克卜勒終其一生投入結合天文物理學和數學的領域,為後世開啟研究天文物理的新頁,啟發牛頓建立萬有引力定律。
   透過科學家的故事,說明科學的傳承與啟發,或許可以在看似難以理解的數學關係式中,找到科學家的溫情與理性思維,增添物理課的知性與感性。
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