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Intro

Coursera: 普通物理學 - 電磁學、光學及近代物理

 with  朱士維(Shi-Wei Chu)
物理學是描述世上質量與能量交互作用的學問,在這門課中我們將為大家介紹近代物理對於世界的認識。我們會從電磁學出發,進展到光學,並進而說明近代物理對人類觀念的突破。

Syllabus

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Subject Physics
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