探究物理：挑戰萬有引力 by Chuliu 巨流圖書

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國家圖書館出版品預行編目（CIP）資料

探究物理 : 挑戰萬有引力 / 于洋等編 ; 于今昌主編. -- 初版. -- 高雄市 : 麗文文化, 2017.02 面 ;

公分

ISBN 978-957-748-907-4（平裝）

1.引力 2.通俗作品 330.8 105018427

探究物理：挑戰萬有引力初版一刷•2017年2月

主編編者責任編輯封面設計發行人總編輯出版者地址電話傳真網址電子信箱劃撥帳號購書專線臺北分公司電話傳真法律顧問電話

于今昌于洋、李明謙、李智、姜杰、姜昕婷、胡濱、高保峰、許叢遠、喬琪、楊大偉、劉瑚、魏丹（依姓氏筆畫排列）林瑜璇、張如芷余旻禎楊曉祺蔡國彬麗文文化事業股份有限公司 80252高雄市苓雅區五福一路57號2樓之2 07-2265267 07-2233073 www.liwen.com.tw liwen@liwen.com.tw 41423894 07-2265267轉236 23445新北市永和區秀朗路一段41號 02-29229075 02-29220464 林廷隆律師 02-29658212

行政院新聞局出版事業登記證局版台業字第5692號 ISBN 978-957-748-907-4（平裝）本叢書經由長春出版社正式授權在台灣地區出版中文繁體字版本

定價：400元

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本書如有破損、缺頁或倒裝，請寄回更換。

推薦序

生長在一個知識爆炸的時代，我們每天甚至每分每秒都被新的資訊衝擊著，有時根本還來不及接收，這些新訊在轉眼間已成為舊聞；隨著科技產業的日新月異，新穎的科技產品也是不斷地推陳出新。我們每天幾乎都是透過手上的 3C 產品，將所有的資訊及知識「滑」到眼前，但不論內容是什麼，我們總是用不超過五秒鐘的時間，伸出手指毫不留情地將它滑開，因為後頭還有數不盡的新訊等著我們去看，沒有時間─仔細閱覽，深怕一個不留神，就跟不上這個快速轉變的世界。在我們汲汲營營求新求快的同時，似乎忘了抬頭看看四周的世界、忘了與你身旁的人對話、更忘了伸出手去翻一本好書。放下手機，試著回想你有多久沒有好好閱讀一本書了呢？尤其是正處求學階段的青少年們，陪伴你們成長、讓你們獲得知識的絕對不僅僅是那台電腦或那支手機，更多的是一本本放在書架上等著你去挖掘、去探索的知識寶庫。身為教育者最擔憂的莫過於看見莘莘學子們在 3C 世界裡不斷向下沉淪，每天緊盯著手上的螢幕，茶不思、飯不想，達到另一種「廢寢忘食」的境界，而學業，早就被拋諸於腦後了。這難道能不令人憂心忡忡嗎？要改善這個在校園裡已逐漸蔓延擴散的現象，必須從根本的基礎做起。首要的關鍵就是讓青少年重拾對閱讀的興趣，進而將閱讀視為一種生活態度，自然而然地在生活中養成閱讀的好習慣。「閱讀」是須要培養的。能夠引起閱讀動機，讓青少年主動伸手翻書是極為重要的第一步，然而要讓莘莘學子跨出艱難的這一步，書籍內容是否具有吸引力是相當關鍵的。當 i

然，能從閱讀中汲取知識、增廣見聞、豐富人生色彩，才是閱讀最大的樂趣與助益。在此，要鄭重向各位學子們推薦「青少年科普叢書」系列書籍，是專為中小學生打造的優良讀物，目前的出版品有《科學揭祕動物世界》、《探究物理》等套書。《科學揭祕動物世界》分為無脊椎類、海洋類、魚類、兩棲爬行類、鳥類、哺乳類等六冊，每冊皆有數十個主題，每個主題的篇幅精煉，並針對主題附上優美的照片，深刻讀者們的印象，讓讀者不僅能從文字認識動物，還可由照片看見動物之美。書中除了介紹生活中常見的動物之外，還要帶領大家認識稀有罕見甚至瀕臨滅絕的動物，讓我們能夠更加珍惜與愛護這片土地，好讓這些動物能無憂無慮地生存下去。此書最特別之處在於描寫了若干動物的小故事，為平凡的文字增添了生動有趣的色彩，也提升了對讀者的吸引力。《探究物理》分為挑戰萬有引力、遨遊電子王國、解譯聲波密碼、駕馭原子世界、探索太空奧祕等五冊，匯集多元的物理現象，藉由一則則小故事，介紹力學、電學、聲學、原子學及天文學等等的學科知識，其中也包含在全球廣為討論並飽受爭議的「核能」應用，使讀者懂得學思並重，思考物理學發展帶給人類的利弊得失，進而探究其未來趨勢，讓物理學為人類生活帶來更多更廣的助益。來吧！讓我們一同閱讀「青少年科普叢書」，揭開科學的神祕面紗，探索其中的奧妙，一定能讓你感受閱讀的樂趣，並且獲益良多。

王惠亮

王惠亮現職：國立高雄師範大學生物科技系教授兼副校長經歷：國立高雄師範大學生物科技系系主任、總務長、教務長學歷：美國康乃爾大學博士專長：分子生物、遺傳工程、生物農藥

推薦序

近代以來，科學發展迅速，民眾的工作與生活都講求迅速和效率，智慧型手機和電子產品充斥於生活之中，學生的學習受到很大影響，較常閱讀短文或短句，結果只能從事短句的寫作，導致「閱讀」這件事已被邊緣化。先進國家組成的 OECD 組織，大力提倡閱讀，發展 PISA 的測驗，我國也看見這等危機，參加測驗，並在學校教學提倡閱讀的教學與評量。科學的學習需要講求方法，動手做的學習、POE 的教學等不勝枚舉，然而，很多人卻忘了「知識」才是提升素養與學習的根本。知識靠閱讀，《探究物理》期望對中學生的閱讀作出貢獻，在內容的編排上，講究幾項特色：（一）科學史的內容，對科學演化歷程的理解即是對科學素養的提升，本叢書以科學史的邏輯引導學生有效閱讀科學，內容則延伸到最尖端的知識，大到宇宙的深處，小到原子或電子的運動，深入淺出地以「專題」的型態呈現，充實學生與科學對話的根本。（二）故事解說，美國解說之父 Tilden 曾提出生態解說的六大原則，故事解說是重要的原則之一，本叢書以科學故事的編排作為主軸，呼應善用學生喜歡聽故事的特質，有效提升中學生的科學知識。（三）閱讀的興趣，不論是科學教育學家或生態解說員，都同意提升學生的學習興趣，是學習的重要工作，本叢書把內容和標題趣味化，例如尋找系外行星的標題是「尋找太陽的表兄弟」，不但有效解說科學內容，更能促進學 iii

習的興趣，讓專業的知識不再艱深，藉以面對中小學生的學習特質。本叢書運用專題形式、科學史的故事以及趣味化的寫作，能夠有效吸引中學生對閱讀的喜好，進而提升中學生的科學素養，是一套值得推薦給中學生閱讀的好書。

蘇明俊

蘇明俊現職：樹德科技大學休閒與觀光管理系助理教授高雄市天文學會理事長經歷：國立高雄師範大學物理系兼任助理教授高雄市立左營高中、三民國中物理教師兼主任學歷：國立高雄師範大學科學教育理學博士專長：物理學、地球科學、科學教育 iv

前言

現代物理學是現代科學革命和現代技術革命的先驅。它推動了現代化學、天文學、地學和生物學，及新能源、新材料、資訊、生物、空間、海洋等技術的進步，對社會經濟和資訊時代的到來、人們的生活方式和國家的綜合實力，乃至世界格局都產生了巨大影響，其思想和方法也大大改變了人們的思想觀念和思維方式。為了滿足青少年對學習科學知識、掌握最新技術的強烈願望，按照教育部提出的素質教育的基本要求，我們組織專家學者精心編撰了一套適合中小學生閱讀、適合物理教。叢書共五冊，分別師作為教學參考的叢書─《探究物理》是《挑戰萬有引力》、《遨遊電子王國》、《解譯聲波密碼》、《駕馭原子世界》和《探索天空奧祕》。其中《挑戰萬有引力》，講述經典力學、熱力學和流體力學中許多耐人尋味的有趣現象和奇聞軼事，詳解第一、第二、第三宇宙速度，以及太空人駕馭太空船克服地球引力飛出了地球；《遨遊電子王國》簡述電子學、電磁學和光學的基本知《解譯聲波密碼》不識，介紹了它們在各自領域的獨特作用；僅講述了鮮為人知又趣味橫生的聲波故事，而且詳解了人類聽不見、看不見的超聲波、次聲波，以及它們對生產生活所產生的巨大作用；《駕馭原子世界》客觀評價了桀驁不馴的原子輻射給人類帶來的危害以及成功地駕馭原子讓它造福於人類，重點介紹了核武器的相關知識；《探索太空奧祕》揭示了宇宙間星雲、恆星、行星、小行星、彗星和月球的神祕身世，介紹了太空船、太空梭、太空實驗室、軌道站和國際太空站，以及中國航太事業在國際上的顯要地位。 v

本叢書彙集了物理學最前沿的知識，透過五百多則妙趣橫生的小故事和四百多幅生動有趣的插圖，深入淺出點出了力學、電學、光學、聲學、原子物理學、天體物理學、環境物理學等學門的重點與精髓。既為青少年讀者細細梳理了現代物理學的發展脈絡，重點詮釋了從經典物理學到現代物理學的完美嬗變，同時也展現了物理學未來發展的光明前景，是青少年學習和瞭解最新科技知識的良師益友。書中提出的一些懸而未決的疑難問題，必將激發出青少年探索物理奧妙的熱情與濃厚興趣，從而樹立攀登科學高峰的雄心壯志。

目次 v

Contents

前言

奧妙無窮的力 002 共振釀成的慘案 005 阿基米德吹牛

048 從駿馬拉銅球說到如來佛的神力

008 章魚與真空吸盤

051 虎克定律的來歷

012 硬度之王

054 力和力矩

015 自行車不倒之謎

057 龍骨水車和戽斗

018 中幡不倒的奧妙

060 地動儀

021 雜技中的力學

063 風箱．鼓風水排．指南車．「水轉百戲」

024 頭頂重物瀟灑自如和奇妙的「被中香爐」

067 扇車．曲柄搖把

027 弓形石拱橋

070 馬鐙和馬的肩套挽具

030 比薩斜塔不倒之謎

073 從弓箭、弩到世界上最早的槍和子彈

033 從飛機失事談金屬疲勞 036 摩擦與摩擦學 039 樓房搬遷 042 倔強的陀螺 045 禁閉在船艙裡的實驗

077 拋石器．火炮．噴火器 081 防彈玻璃與防彈背心 084 希特勒的祕密武器 087 形形色色的導彈 090 導彈家族的小兄弟

093 從向人體內發射「導彈」說起

153 從雁陣說到節能

096 一萬多公斤羊毛不翼而飛

156 保守勢力啞口無言了

099 度量衡史話

159 「興登堡」號飛艇遇難

102 把患絕症的人暫時冷凍起來

162 第一個飛上天的人

105 從斯坎佛的探索到根據結晶雪追查殺人犯

165 叩開「天門」的人

108 大橋和輪船都怕冷嗎？

172 矯翼思凌空

111 神祕的雪花

175 耐人尋味的昆蟲飛行

114 冰雪滑行

178 向蟲鳥學習飛行

117 別開生面的生物力學

181 渴望騰飛的「鳥人」

120 應用人體力學研製新型汽車

184 讓人也展翅翱翔

123 烏龜和兔子賽跑

187 他們飛上了藍天

126 動物的「力學頭腦」

190 曹沖秤象和懷丙打撈鐵牛

129 啄木鳥不會腦震盪的祕密

193 王冠之謎

168 乘坐氣球飛越大西洋

196 世界上第一艘蒸汽輪船

蕩漾在流體中的力

199 「海龜」的下沉和上浮

134 高樓風．夏天穿黑色袍子的人

202 海溝探祕

138 走馬燈的新貢獻

205 波光粼粼浮浮沉沉

141 從蒸汽機到蒸汽火車

208 為潛艇穿上「海豚服」

144 風箏史話

211 蜘蛛具有液壓傳動的腳

147 降落傘

214 河上「拔河」比賽

150 降落傘大步走進各個領域

217 神通廣大的常壓潛水服 220 壓力極大的深海世界 223 海洋潛浪和漩渦 226 駕駛「海底」河流 230 間歇噴泉

戰勝地心引力 234 牛頓與萬有引力

280 第一個登上太空的中國人不能失敗

237 「沙漠之舟」的最佳航線

283 瀟灑的太空行走

240 坐炮彈是不能飛出地球的

286 掉不下來的太空行走

243 「火龍出水」和多節火箭

289 失重後人體的生理變化

246 多節火箭戰高溫鬥嚴寒

292 失重給人類帶來的福音

250 火箭的燃料與速度

295 光輝的歷程

253 人造衛星飛出地球 256 加加林首次遨遊太空 259 宇宙響徹〈東方紅〉樂曲 262 搶救衛星 265 同步衛星的軌道及其壽命 268 遙測 271 別開生面的救難衛星 274 未來戰爭的生命線─軍事星 277 太空船載人返航

共振釀成的慘案

18 世紀中葉的一天，法國昂熱市的一隊士兵正步行通過附近一座 102 公尺長的大橋時，橋樑突然斷裂，226 人掉入河中殞命。1906 年的一天，俄國彼得堡封塔克河上的一座橋上，一隊騎兵以整齊的步伐到達橋心時，橋突然斷裂成數段墜入河中。這樣的事故，別的地方也發生過。當時人們進行了調查，發現橋的載重並沒有超過許可的範圍，坍毀前也沒有任何損壞的地方，這在當時成為一個不解之謎。隨著科學的發展，人們才弄清：這種破壞事故是「共振」所造成。如果用鉗子夾住鋼鋸條的一端，另一端用手彈一下，它就會來回振動。儘管振動幅度越來越小，但每秒鐘振動次數總是不變的。這個振動次數叫做物體的固有頻率。任何物體都有自己的固有頻率。譬如，近處有一個振源，它的頻率接近於這個物體的固有頻率，該物體在外界振源的影響下會振動得越來越激烈，這種現象就叫做共振。挑戰萬有引力

大隊人馬邁著整齊的步伐過橋，如果步伐正好與橋的固有頻率一致，橋的振動就會加劇，振幅也逐漸加大，直到超過了橋的抵抗力時就會產生斷裂。現在，世界各國都有一條不成文的規定：大隊人馬不能齊步過橋。在現代鐵路運輸中

也要考慮共振的影響。

 大橋（圖片來源：http://goo.gl/i2SltM）

因為火車車輪撞擊軌道會發生有節奏的強烈振動，如果這個振動頻率與車輪彈簧的固有頻率相接近，乘客就要受「顛簸之苦」了；如果這個頻率和所經過的橋樑的固有頻率相接近，同樣會造成橋斷車覆的後果。 1980 年，一艘外國遠洋巨輪在大海中被攔腰折斷而慘遭覆沒。經分析，船的發動機和主軸中心沒有對準，在運轉中產生了週期性的慣性離心力，它的週期性與船體的固有頻率相接近，產生了強烈的振動，致使船體破壞。在現代航太、航空、航海和機器製造中，都必須考慮到共振的破壞作用。雖然共振在工程上有破壞作用，但只要掌握了它的規律，也能讓它為人類服務。在建築工地上，人們常能見到振動搗固機，有了它，混凝土製件就更結實。振動式壓路機能迅速把路面壓平。在礦山裡，利用快速振動的風鎬開鑿岩石、挖煤炭。其他如振動式粉碎機、振動炭沙機等都是利用共振原理製造。從前，在美國塔科馬有一座著名的狹橋。這座橋在施工時發生過擺動，不時的振動使修橋工人感到眩暈。橋竣工通車後，搖擺得更加厲害。為了尋求刺激，不少遠方的客人專程駕車到此一遊，嘗試汽車駛過搖搖晃晃的狹橋時的滋味。在某些日子裡，這座橋橋身上下振動的幅度竟達 1.5 公尺，致使駕駛員看不見前面行駛的汽車。然而，這座橋倒塌得卻非常突然。有一天早上，橋突然停止振動，不一會兒，它開始瘋狂地扭轉振動起來。30 分鐘

共振釀成的慘案

後，第一塊橋面開始墜入水中，接著有 200 公尺長的橋面斷開，然後振動停止了幾分鐘，隨後又發生新的振動，將殘留的橋面全部掀到水裡。事後，人們對狹橋的設計卻找不出可以指責的地方，因為那時人們對吊橋的空氣動力學特性所知甚少。這場災難在當時是屬於不可預測的（或稱不可抗拒的），但對以後的大橋設計影響頗大。

出事那天的風並不是特別大，但因為橋在風的作用下產生了共振，振幅不斷增大，直至狹橋被破壞。為什麼相當均勻的風，會使橋產生脈衝式的振動，然後變為扭轉振動呢？研究的結果表明，橋上直立方向的結構板引起了橋的振動。它對風的阻力很大，風被阻擋之後，大量的氣流便從結構板的上方經過然後壓向橋面。吹過的氣流因不斷被阻擋而使速度增加，所以在直立結構板的上方和下方壓力降低（白努利原理）。如果風總是從板的正前方吹來，上下方的壓力降低會互相抵消。但是，如果風的方向不停地變換，壓力就會不斷地變化。這一壓力差作用在整個橋面上，並因擋風的直立結構板產生的渦流而得到加強，橋就開始振動。與這類似的情況也有很多，如電話線在壓力差的渦流作用下會產生嘯聲。

共振共振，是指兩個振動頻率相同的物體，當一個發生振動時，引起另一個物體振動的現象。

挑戰萬有引力

阿基米德吹牛

古希臘的科學家阿基米德說過這樣一句話：「給我一個支點，我就能撬起地球！」他認為：「一定大小的力可以移動任何重量。」地球質量為 5.98×1024 公斤，一個人的力量有多大呢？能夠移動這麼重的地球嗎？你可能認為阿基米德在吹牛。其實，他的話有一定的道理，因為力透過機械，可以被「放大」。原始人為了保護自己的洞穴，常常用大石頭堵住洞口。他們是怎樣搬動大石頭呢？幾噸的大石頭不是輕易能搬動的，一定是工具幫了他們的忙。可能是這樣，幾個原始人想拿一

 阿基米德（圖片來源： http://goo.gl/aF4Hyu）

根結實的樹幹來撬動石頭。他們把樹幹的一端放在大石頭的下面，又在靠近大石頭的樹幹下墊了一塊小石頭。當他們其中一人壓下樹幹另一端的時候，沒花多大的力氣，就把大石頭撬起來了。第一個這樣做的原始人，絕不會意識到自己竟是大發明

阿基米德吹牛

家。他發明了我們稱作「槓桿」的機械，這種機械能節省力氣。原始人雖然知道用槓桿搬動大石塊，但是並不知道其中的原理。阿基米德是第一個總結出槓桿原理的人。任何槓桿都有三個著力的地方：支撐槓桿的地方叫做支點，用力的地方叫做施力點，接觸載重物的地方叫做抗力點。

抗力作用線到支點之間的垂直距離稱為抗力臂，施力作用到支點之間的垂直距離稱施力臂。阿基米德仔細研究了槓桿之後，發現槓桿的施力臂越長，舉起重物需要的力量越小。它們之間的關係如下：施力 × 施力臂＝抗力 × 抗力臂或施力＝

施力 × 抗力臂施力臂

因此，只要有足夠長的施力臂，任何小的施力都可以舉起任何重量的物體。大概因為這個規律太重要，當時人們把它叫做「黃金法則」。阿基米德曾說，他能用槓桿移動地球。在理論上，這是正確的；但在實際上，這是辦不到的。第一，需要一根長得難以想像的槓桿，它的施力臂應該是抗力臂的一千萬萬萬萬萬倍，而這樣長的槓桿是無法找到的。第二，宇宙間的天體都在不停運動著，找不到一個相對不動的支點。第三，即使上面兩個條件能夠辦到，把地球舉起 1 公分，人必須在槓桿的施力臂一端，按下 10 億億公里長的一條弧。按照 1 秒鐘按下 1 公尺的速度計算，需要 30 萬億年的時間。挑戰萬有引力

誰的壽命有這麼長？利用槓桿能夠省力，但是有時候也會費力。譬如划槳，施力臂短，抗力臂長，施力就大於抗力，所以很費力。但是划槳的時候，手移動距離短，槳葉在水中移動的距離長，這樣使船航行得更遠。又如，剪刀也是一種槓桿，它的兩片刀葉釘在同一支點上，稱做雙槓桿。用途不同的剪刀，形狀也就不同。剪鐵皮的剪刀，刀把長，刀口短，這樣可以省力；理髮用的剪刀，刀把短，刀口長，手指不用移動很大距離就能剪很多頭髮，並且剪

得很整齊。

上面所說的槓桿，有一個共同的特點，就是支點在施力點和抗力點的中間，這類槓桿稱為第一類槓桿。它既有省力的，也有費力的，主要由支點的位置決定。說鐵撬是一種槓桿，你會容易理解；說鍘刀是一種槓桿，你的腦子也許會轉不過來，但是稍加思索就不難明白。鍘刀這種槓桿和第一類槓桿不同的地方，是它的抗力點在施力點和支點中間。我們稱這一類槓桿，為第二類槓桿。第二類槓桿有一個明顯的特點：施力臂總是大於抗力臂，所以它總是省力的。單輪車、開瓶器，都屬於這類槓桿。還有一類槓桿，它的施力點在支點和抗力點之間，如用鐵鍬往卡車上裝土。這一類槓桿，稱為第三類槓桿。第三類槓桿有一個顯著的特點：施力臂總是比抗力臂短。使用這類槓桿雖然很費力，但是能夠節省距離。比如：往卡車上裝土，手移動的速度不快，鐵鍬移動的距離卻相當大，可以把土送到很高的地方。用兩隻手拿長掃帚掃地；釣魚的時候往上提釣竿，都是在利用第三類槓桿。

槓桿槓桿，是利用直桿或曲桿在外力作用下能繞桿上一固定點轉動的一種簡單機械。槓桿的受力點稱「施力點」，固定點稱「支點」，克服阻力（如重力）的點稱「抗力點」。支

阿基米德吹牛

點到阻力作用線的垂直距離稱「抗力臂」。