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（紀念版）

三萬名讀者肯定，每到學測前就大賣之長銷紀念版

◎國小的有趣自然科，到了國中變身物理課，都聽不懂。
◎念高中還是躲不掉物理──學測啥都考，避不開自然科，很慘。
◎物理就是套原理、套公式，用死背應付吧！（所以學得好痛苦）
◎出社會，就可以不必懂物理了吧？錯！
不只讀書，就業、理財、甚至就醫，你都得懂些物理原理，才能占到先機。
國中沒聽懂、高中變天書，念大學等著被當，出社會無緣當科技新貴……，
你的人生不該是這樣的。如果你很苦惱物理學課程，這本書一定能幫到你。

物理就是物體的原理，基本法則貫通在身邊各種現象中。
例如，用滑輪抬東西為什麼至少省力一半？
電暖器的紅光會把我晒黑嗎？馬達，有的變頻能省電、有的變頻會燒壞，何故？
巨蛋體育場屋頂該蓋幾公尺高才夠？
海嘯時躲在堤防後面為何沒用？有些地震上下跳、有些地震左右搖，何故？
迴旋加速器跟我體檢和看醫生為什麼大有關係？超導體為什麼對我很有用？
拍照何時該用偏光鏡？哪種電動車才是大勢所趨？手機怎麼收不到訊號？
國外帶回來的電器，變壓整流之後為什麼還是不能用？………
物理其實比你想像中有用。而本書的寫法，保證超乎你想像的有趣。

本書由 8 位日本現職高中、大學教師共同編寫，用圖解方式
將力學、功與能、熱力學、電學、電磁學、波動等 6 大基礎物理。
用生活中的各種應用加以解說，
幫你把以前沒聽懂的物理概念，一次救回來！

◎力學：搞懂物體如何平衡、變形和運動
‧搭捷運最有感覺的力――慣性力與離心力。
列車起動和煞車時，沒抓好就會摔跤，就是因為慣性。

‧萬物之間都有引力，誰離不開誰？
其實人與人之間也有引力，只是重力的引力更大，所以雙腳會站在地球上，
人和人之間卻不會吸在一起。

◎物理的「功」與「能」，有什麼功能？
．為什麼明明搬了重物移動，卻說作功是零。
如果施力方向與物體移動方向相反，則是作負功。所以搬起行李往前走，搬行李的力對移動行李的作功為零。

．用「功」的原理來設計機器，想要省力，臂就得拉長一點。
利用「槓桿」、「滑輪」等簡單機械，可以改變施力的方向及大小，讓你更省力。

◎熱力學――「熱」會移動，但溫度不會
．溫度指的是物體、液體、氣體的冷熱程度，就是溫度計上顯示的數值。
熱則是指物體內的原子和分子運動時帶有的能量，轉移到其他物體的過程。
．熱力學定律有三種，其實你天天都在操作，像是把冰水加熱，讓熱茶變冷，
還有摩擦就會生熱。誰說物理很難學？

◎電學――發電與儲電，都是顯學
．發現電：靜電讓人討厭，卻不可或缺！
如果沒有靜電，影印機就沒辦法讓黑色粉末（碳粉）附著在紙上。
．電動車受重視，不只是因為環保！
因為一般燃燒汽油行走的汽車，能量轉換效率差，最後利用的能量大約只有原本的三分之一。

其他像是
．車子開進隧道時，收音機為什麼會收不到訊號？其實是電場作用。
．墊板摩擦以後，為什麼會把頭髮或小紙片吸起來？這是靜電。
．世上萬物幾乎都與波有關―波，如水波、音波、光波、電磁波、地震波，
都是常見的波。

誰說物理很難又很枯燥，
本書保證讓你讀起來像看故事書一樣有趣。

高見壽
〈第1章　力學：搞懂物體如何平衡、變形和運動〉撰稿者。
1949年生於日本岡山縣。岡山大學理學院物理系畢業。於縣立高中教授物理，屆齡退休。目前為岡山理科大學兼任講師。

稻田佳彥
〈第1章　力學：搞懂物體如何平衡、變形和運動〉撰稿者。
1966年生於日本廣島縣。東北大學研究所理學研究科物理學第二專攻博士課程後期修畢。曾任大阪大學研究所理學研究科助教等職，現為岡山大學研究所教育學研究科教授。

高橋善樹
〈第2章　物理的「功」與「能」，有什麼功能？〉撰稿者。
1957年生於日本福島縣。東北大學理學院物理系畢業。目前擔任福島縣立喜多方桐櫻高中教師。

浮田裕
〈第3章　熱力學：分子運動的速度與能量的轉移〉撰稿者、本書內容統籌。
1959年生於日本兵庫縣。甲南大學理學院畢業。甲南大學研究所自然科學研究科物理學專攻碩士課程修畢。現為兵庫縣立星陵高中教師。

小關正廣
〈第4章　電學――發電與儲電，都是顯學〉撰稿者。
1950年生於日本群馬縣。群馬大學教育學院畢業。前新島學園中學、高中教師（物理、化學）。現為日本流星研究會會長。

田中岳彥
〈第5章　電磁學：發電、醫學、遙控器〉撰稿者。
1959年生於日本三重縣。東京理科大學理學院畢業。筑波大學研究所碩士課程修畢。愛媛大學研究所博士後期課程修畢。博士（理學）。現於三重縣立津西高中任教。

中屋敷勉
〈第6章　波：萬物都與波有關，包含你、我〉撰稿者。
1959年生於日本宮崎縣。岡山縣立岡山一宮高中教師（物理）。日本物理教育學會岡山縣幹事。日本物理學會會員。物理奧林匹克日本委員會（JPhO）委員。

左卷健男
本書內容統籌。
1949年生於日本栃木縣。千葉大學教育學院畢業。東京學藝大學研究所教育學研究科修畢（物理化學講座）。歷經同志社女子大學教授等職，現為法政大學教職課程中心教授。著有《有趣又不沉悶的物理》（PHP研究所）、《看穿假科學的智慧》（新日本出版社）、《圖解．化學「超」入門》（Science i）等多部著作。


林展弘
畢業於臺灣大學電機系電信所，過去曾於京都大學從事學術研究，並於大阪松下企業工作。回臺後於輔仁大學譯研所接受口譯訓練，現為中、英、日職業口譯員，並從事日語教育工作。

北一女中物理教師╱簡麗賢
國立自然科學博物館前館長╱孫維新
物理教學影片YouTuber╱吳旭明

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。物理盡可能的簡化現象，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「因為物理好像很困難，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。如果在解物理習題時，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、高中時不擅長物理的讀者，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。
本書的內容在說明上，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，也期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，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欠缺的三個特點。

特點
從中學程度開始，使用大量圖解、淺顯易懂的解釋物理基礎知識。

特點
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
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，特別感謝插畫家井上行廣先生為本書繪製可愛的插圖，以及針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
左卷健男、浮田裕

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（第二類組及第三類組）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、找出困擾的原因，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」物理書籍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」。

作者簡介
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 質量和加速度越大，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

不管物體有多重，落下速度都相同
將物體拿在手上，放手之後，物體就會落下，這是因為地心引力的關係。所謂的自由落體，就是地球的重力吸引物體，使之靠近地球的現象。
此時，大家都知道物體的速率會越來越快，但變快的程度會因為物體的輕重而不同嗎？在過去，這個問題也曾經經過很多討論，最廣為人知的就是伽利略從比薩斜塔上進行物體的自由落體實驗。儘管不知道是否符合史實，但提到偉人時，總不免言及。
例如，如果把較重的A與較輕的B綁在一起然後放手，那會有什麼結果？假設重者落下速度較快，由於綁在一起後，總重量變重，那應該比個別落下時，速度更快吧？抑或是因為把落下速度較快的物體與落下速度較慢的物體綁在一起，所以落下的速度會介於兩者之間？哪一個假設才是對的？結論很簡單，不管物體輕重，落下速度均相同。因為與重量無關，這樣一來就可輕鬆解決了。
要知道實際落下時的速率，只要測量就可得知。其實以高中物理實驗課的程度就可進行這種測量了。地表上的物體掉落是加速度量值為9.8公尺╱秒2（m/s2）的等加速運動。因為受到地球引力的影響，不管在日本還是美國，抑或是非洲，在地表上任何一處測量此加速度均相同。因此，一般都將此加速度稱為重力加速度。
不過嚴格來說，所處位置為山頂或山腳下、緯度高的區域或緯度低的區域，以及地底下是否有堅硬的岩石等，均會造成重力加速度些微變化。


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：

重力比高緯度地區小，可減少發射時需要的力。
地球自轉產生的離心力最大，可借力使力。
因地球自轉，地面速度較快，能以較大初速發射。

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與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與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，儘管就日本來說已經算靠近赤道，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。


超導體的原理與用途
就原理上來說，溫度高的狀態（高溫物體）應該無窮無盡。熱運動越趨激烈時，固體首先會熔化成液體，然後再蒸發成氣體。溫度更升高時，原子便會失去電子而變成電漿。
相對的，溫度低的狀態（低溫物體）有其限度。理論上來說，當熱運動停止時，將會達到最低的溫度（臨界溫度）。此臨界溫度則為－273.16℃，稱為絕對零度。以絕對零度為溫標原點的溫標單位為克耳文（K）。不過理論上是無法達到絕對零度。
低溫物理學家過去不斷實驗，嘗試將溫度降至接近絕對零度。會如此持續努力的原因至少有兩個。其中之一是因為物質的基本重要性質如「超導」及「超流」，只有在極低溫的條件下才得以展現。另一個原因是，溫度降至接近絕對零度後，熱運動的影響可以降至最低，物理學家們想在這種條件下研究物質。
卡末林． 昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853～1926） 於1908 年7 月10日成功將氦氣液化，揭開了極低溫研究的序幕。他透過一點一點的除去液態氦表面上的蒸氣，使氦氣蒸發冷卻，最後將溫度降至0.7K。同年，昂內斯隨後又在萊登大學的實驗中，發現將液態氦冷卻至2.19K後，就會出現黏滯性完全消失的「超流」現象。此狀態下的液態氦只要給予一點擾動，就會自動從毛細管中冒出，或是沿著杯緣湧出。一般而言，不管什麼物質，只要持續將溫度降低，就會凝固成固體，但氦氣就算在絕對零度下，也不會凝固。

超導
另外，昂內斯又於1911年發現「超導」現象，只要將溫度降低至接近絕對零度的極低溫，電阻就會消失。他發現水銀的電阻會因低溫變為零。原本電子會一個一個移動，一碰到其他原子等障礙物，運動就會減緩、產生電阻。同樣帶有負電的電子會互相排斥，但在極低溫的環境中，互相排斥的電子會各自吸引帶正電的原子，電子周遭於是充滿著正電荷，進而又會吸引其他電子。這樣的話，電子就會兩兩成對，而湊成一對後，就會成為物理性質完全不同的東西，成對的電子開始具有穿過原子等障礙物的性質。於是，電子就不會被反彈回來，電阻也因此消失。
超導的應用：核磁振造影、磁浮列車、儲存電能、微波通訊、高速電腦等。


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，可將踩煞車時耗費的一部分能量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。一般的汽油引擎車煞車時，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，這是相當沒效率的方式，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。


紅外線和X光，都是電磁波
我們能看見從紅色到紫色之間的各種顏色。目前已經得知人眼可以察覺的光的波長λ，大約介於380～770 奈米（nm）之間（1nm為1.0×10-9m）。
那麼，是否還有其他波長的光？例如紫外線與紅外線，雖然人眼無法察覺，但也只是我們的肉眼看不見而已，它們其實一直都在我們周遭。比如說，紫外線會晒黑皮膚；紅外線也被稱為熱線，可以傳遞熱。電視機等電器的遙控器也常使用紅外線。遙控器會發射紅外線，靠著紅外線對電視等電器傳送訊號。
若以攝影機拍攝操作遙控器的過程，會發現遙控器的指示燈一閃一閃的發光。這是因為攝影機中的光偵測器（CCD等）能感測紅外線的關係。
看電視、聽廣播、打電話時，空間中傳播的電波其實都是「光」的一種形式，只是波長不同而已。
一般而言，電波的波長較長，可見光的波長較短。X射線的波長比可見光短，而伽瑪射線（Gamma ray，γ射線）屬於放射線的一種，其波長又比X射線更短。這些波統稱為電磁波。電磁波在空間中不斷變動的磁場與電場以橫波傳遞，在真空中也可傳遞。