2019-高一基礎物理-CH2-物質的組成與交互作用
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108課綱-高一基礎物理-CH1-緒論 龍騰南一混合版(南一版為主體) 2-1 物質的組成 2-2 原子的尺度與結構 2-3 交互作用 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx
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- 1. 物質的組成與 交互作用 2-1 物質的組成 2-2 原子的尺度與結構 2-3 交互作用 2Religion is a culture of faith; science is a culture of doubt. 宗教是一種信仰文化; 科學是一種懷疑的文化。
- 3. 物質的組成2-1 Plato is my friend - Aristotle is my friend - but my greatest friend is truth.
- 6. 6 CH2 物質的組成與交互作用 物質的組成 約翰道爾頓 從事氣體研究，並倡議原 子論來解釋實驗的結果 拉瓦節Antoine Laurent Lavoisier 以實驗結果為基礎提倡「元素說」 成為原子論的基礎 定比定律 倍比定律
- 7. 7 CH2 物質的組成與交互作用 物質的組成 1827年，英國植物學家布朗，用透 鏡觀察水中花粉微粒的運動狀態 1905年，愛因斯坦發表關於布朗運 動現象的定量理論。 成功 以原子的概念 解釋。 佩蘭在愛因斯坦的理論引導下，經 由實驗驗證了愛因斯坦的布朗運動 理論 人們終於接受原子的存在是物質世 界構成的基本不停地作不規則的折線運動
- 12. 12 CH2 物質的組成與交互作用 物質的三態 固態 液態 氣態 微觀
- 15. 氣態 15 CH2 物質的組成與交互作用 物質的三態-氣態 原子(or分子)可以自由移動 原子(or分子)間的距離變得非常大，相互間除了偶 而的彈性碰撞之外，也幾乎沒有任何作用力 可用 體積、溫度、壓力 來描述氣態的特徵 持續對液體加熱，直到分子可掙脫分子力束縛時 氣體 沒有固定體積 沒有固定形狀 分子與容器的器壁以及其它分子不停地碰撞而產 生氣壓。
- 18. Thank for Contoso Ltd. https://mysecretpark.blogspot.com/ your attention 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx
- 20. 20 CH2 物質的組成與交互作用 每個原子 有不同的性質 一百多種原子 有各自的性質
- 21. 21 CH2 物質的組成與交互作用 每個原子 有不同的性質 一百多種原子 有各自的性質 質量 質量最小的氫原子 氦原子半徑僅約0.03 nm 銫原子半徑則有約0.3 nm 原子內部還有更小的結構?? 鈾原子質量是氫的235倍 原子質量大約是1 u 原子質量大約是235 u u➔統一原子質量單位 1u = 1.66 × 10−27 (kg) 半徑
- 23. 其中 C 稱為庫侖，是電量的單位 23 CH2 物質的組成與交互作用 電子Electron 的發現 密立坎 iscoverD 基本電荷與荷質比 透過精巧的實驗設計 數千次實驗後，發現電子的電量為 1.610-19(C) C 稱為庫侖 電量的單位 依據J.J.湯木生的實驗結果 電子質量me=9.11×10-31 (kg)
- 24. 24 CH2 物質的組成與交互作用 原子 內部結構的猜想 J.J.湯木生 Plum pudding model 正電荷均勻分佈 在球體內 帶負電的電子 散佈於其中 維持電中性 大膽的猜測
- 25. 25 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 α粒子撞擊薄金箔 拉塞福 Ernest Rutherford 以便瞭解原子內部的情形 指導學生做實驗 金箔 α粒子 放射源 鐳與釙元素衰變 驗證Plum pudding model
- 26. 26 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 α粒子 放射源 金箔 拉塞福 Ernest Rutherford Plum pudding model α粒子直接穿透金箔 α粒子帶有正電且質量為電 子的七千多倍
- 27. 27 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 α粒子 放射源 拉塞福 Ernest Rutherford 實驗結果 少數α粒子有10度以上的偏向 甚至有超過90度的偏向 錯誤!! 金箔 湯木生的猜測是錯的!!
- 28. 28 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 α粒子 放射源 拉塞福 Ernest Rutherford 該怎麼解釋這現象 金箔 實驗結果 少數α粒子有10度以上的偏向 甚至有超過90度的偏向
- 29. 29 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 拉塞福 Ernest Rutherford α粒子 中心處 存在 質量極大的正電荷 聚集於半徑小於10-14公尺 的體積內 原子核 α粒子的路徑愈靠近原 子中心則散射角愈大
- 30. 30 CH2 物質的組成與交互作用 原子核的發現 α粒子 放射源 拉塞福 Ernest Rutherford 中心處 存在 質量極大的正電荷 金箔 實驗結果 少數α粒子有10度以上的偏向 甚至有超過90度的偏向
- 33. 33 CH2 物質的組成與交互作用 原子的內部結構 A Z X 質量數 原子序 電子 中子數（N）＝A－Z X 表元素符號 質子數＋中子數 質子數＝電子數 質子帶一個基本電荷的正電 電子帶一個基本電荷的負電 質子質量約是電子的1836 倍 核子： 中子質子
- 35. 35 CH2 物質的組成與交互作用 目前最小的粒子 蓋爾曼 在1960 年代提出，中子與質子可能由更小的粒子組成， 稱為夸克（quark）。 目前已知有6種夸克 質子與中子分別由三個 更小的夸克所組成
- 36. 36 CH2 物質的組成與交互作用 目前最小的粒子 蓋爾曼 原子 由質子、中子和電子 所組成 質子 中子 夸克 夸克 與 電子 稱為 基本粒子 電子
- 37. 37 CH2 物質的組成與交互作用 範例 在第一章中提到SI制單位中的時間 標準，是以銫-133（ 55 133 𝐶𝑠）原子所 發出某特定波長的電磁波之振動週 期的倍數來定義。那麼一個銫-133 中性原子的內部，含有質子、中子、 電子各有幾個？ A Z X 質量數 原子序 中子數（N）＝A－Z X 表元素符號 質子數＋中子數 質子數＝電子數 質量數=133 質子數=55 中子數=133-55=78 電子數=55 詳解
- 38. 38 CH2 物質的組成與交互作用 習題 有關「原子結構」的敘述，下列哪些正確？（應選2項） (A) 原子核占有原子大部分的質量 (B) 原子核占有原子大部分的體積 (C) 原子核為電中性 (D) 質子和中子皆由更小的夸克所組成 (E) 湯姆森首先提出類似太陽系的原子模型。 答：AD
- 39. Thank for Contoso Ltd. https://mysecretpark.blogspot.com/ your attention 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx
- 40. 重力 南一書局
- 41. 41 CH2 物質的組成與交互作用 萬有引力 𝐹 = 𝐺 𝑚1 × 𝑚2 𝑟2 吸引力的大小與兩質點的質量乘積成 正比 吸引力的大小與兩質點之間的距離平方成反比 FF 𝑮 = 𝟔. 𝟔𝟕 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏 [ 𝐍𝒎 𝟐 𝐤𝒈 𝟐 ] 牛頓
- 42. 42 CH2 物質的組成與交互作用 卡文迪西的扭秤實驗 卡文迪西 扭線 鏡子 桿子 小金屬球 光源 𝐅 = 𝑮 𝑴𝒎 𝑹 𝟐 重力常數G的數值則由卡文狄西在1798年經由實驗測得 大金屬球 𝟔. 𝟔𝟕𝟒 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏 𝐦 𝟑 /(𝐤𝐠 ∙ 𝐬 𝟐 ) 扭轉程度 反射光變化角度
- 44. 44 CH2 物質的組成與交互作用 重力場 場Field 作用範圍 M m m m m m m 𝐹 = 𝐺 𝑀𝑚 𝒓2 距離越遠，重力越小 重力場 超距力、非接觸力 地球在周遭產生 特殊勢力範圍
- 45. 其中 C 稱為庫侖，是電量的單位 45 CH2 物質的組成與交互作用 重力彈弓 iscoverD 重力彈弓 由於宇宙是如此浩瀚，這麼遙遠的距 離，若單純地想以燃料推進抵達目的 地，是一種非常不切實際的想法 利用行星或其他天體的相對運動和重 力改變飛行器的軌道和速度，以此來 節省燃料、時間和計劃成本。 航海家1號在1977年9月至 1981年12月31日軌跡動態圖 重力助推既可用於加速飛行器，也能 用於降低飛行器速度
- 46. 46 CH2 物質的組成與交互作用 例題 卡文迪西透過扭秤實驗來驗證物質 間的重力，他所使用的小球質量為 0.73 kg，大球質量約為157 kg，當 兩者球心相距0.23 m時，兩者之間 的重力量值為何? 𝐹 = 𝐺 𝑚1 × 𝑚2 𝑟2 分析 F = 6.67 × 10−11 0.73 × 157 (0.23)2 ≈ 𝟏. 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟕 (𝑵) 詳解
- 47. 電力與磁力
- 49. 磁場 The Magnetic Field CH2 物質的組成與交互作用 49 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 提出磁力線的概念 磁場：在磁鐵的周圍，磁力作用所及的區域
- 50. 磁場 The Magnetic Field CH2 物質的組成與交互作用 50 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 提出磁力線的概念 在磁鐵外部由N極射出，指向S極；磁鐵內部由S極射向N極 磁力線是一條封閉且不相交的曲線 磁力線密集程度愈密，磁場愈強 磁極：磁鐵之磁性最強處 N S
- 54. 54 CH2 物質的組成與交互作用 描述靜電力的數學方程-庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 距離r 電量q1 電量q2
- 55. 55 CH2 物質的組成與交互作用 描述靜電力的數學方程-庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 𝐹 = 𝑘 𝑞1 ⋅ 𝑞2 𝑟2 𝑘 = 8.99 × 109 (N ⋅ m2 C2 ) 與電量q1、q2乘積 成正比 與距離r 成平方反比
- 56. 56 CH2 物質的組成與交互作用 電場 場Field 作用範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q -q -q -q -q -q -q 電場,E 電荷q(不論正負)移至此一範圍，則q會受到電場E 的影響， 也就是q會受到電力Fe 的作用。
- 57. 57 CH2 物質的組成與交互作用 電場 場Field 作用範圍 -Q q q q q q q 電場,E 點電荷-Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 不同電性的場源電荷，建立不同趨向的電場
- 58. 58 CH2 物質的組成與交互作用 電場→電力線 場Field 作用範圍 -Q q q q q q q 電場,E 點電荷-Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 不同電性的場源電荷，建立不同趨向的電場 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第
- 59. 59 CH2 物質的組成與交互作用 電場→電力線 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 正電荷的電力線 負電荷的電力線 1. 電力線由正電荷出發，終結於負電荷。 2. 在電荷以外的空間，電力線並不會相交。 3. 電場的量值正比於該處電力線密度（單位截面積通過的電 力線數）， 其方向則是電力線的方向。 與磁場相似
- 60. 60 CH2 物質的組成與交互作用 電場→電力線 一個負電：-q 2倍負電：-2q 2個相同的正電 一負電一正電 電力線數目加倍 電力線相排斥 電力線相吸引
- 61. 當物體傾向移動 電磁力的作用 CH2 物質的組成與交互作用 61 分別研究電力與磁力 可以統合在一起成為電磁作用(力) 摩擦力 正向力 回復力 從原子的觀點來看，都是電磁力的作用 摩擦力f 摩擦力f
- 62. 62 CH2 物質的組成與交互作用 例題 電力和重力同樣都是自然界的基本交互作用力，但其強度卻相差甚大。 若以最簡單的元素氫原子為例，氫原子是由一個質子和一個電子所組成， 其間的距離約為5.3×10－11 m，請參考所提供的數據，計算氫原子內質子 與電子之間（1）電力量值；（2）重力量值；（3）電力與重力的比值 粒子 符號 電量 靜止質量 電子 e -1.6×10-19(C) 9.11×10-31(kg) 質子 p 1.6×10-19(C) 1.673×10-27(kg)
- 63. 63 CH2 物質的組成與交互作用 詳解 𝐹𝑒 = 𝑘 ⋅ 𝑄 ⋅ 𝑞 𝑟2 = 9 × 109 ⋅ 1.6 × 10−19 2 5.3 × 10−11 2 𝐹𝑔 = 𝐺 ⋅ 𝑀 ⋅ 𝑚 𝑟2 = 6.67 × 10−11 ⋅ 9.1 × 10−31 ⋅ 1.7 × 10−27 5.3 × 10−11 2 𝐹𝑒 𝐹𝑔 = 2.30 × 10−28 1.03 × 10−67 ≈ 2.23 × 1039 電力量值 重力量值 電力與重力的比值
- 64. 64 CH2 物質的組成與交互作用 例題2-4 帶電量分別為+ 4q 和+ 9q 的兩個點電荷相距d，今在兩個點電荷 間放進另一個電量為 + Q 的點電荷（三者位於同一直線上）。欲使 + Q 所受的電力合力為零，則 + Q 與 + 4q 的距離為多少？
- 65. 65 CH2 物質的組成與交互作用 解答 設 +Q 與 +4q 的距離為 x；+Q 與 +9q 的距離為 y， 欲使 +Q 所受合力為零 ⇒ F+4q = F+9q ⇒ 𝒌𝑸(𝟒𝒒) 𝒙 𝟐 ＝ 𝒌𝑸(𝟗𝒒) 𝒚 𝟐 ⇒ x：y = 2：3，又 x + y = d ⇒ x = 𝟐 𝟓 𝒅。
- 66. 強作用 弱作用
- 67. 強作用Strong interaction CH2 物質的組成與交互作用 67 在原子核的空間裡(約10-15 m)，有很多質子，必定會有很大靜電斥力！ 原子核無法穩定存在 實際上，原子核穩定存在 要怎麼解釋 這樣的矛盾? 靜電斥力 P NP N P N N P N P N 靜電斥力 P N P N PN N P N 靜電斥力 10-15m
- 69. 強作用 CH2 物質的組成與交互作用 69 夸克結合形成質子和中子 夸克和夸克之間的強作用 3 個夸克 3 個夸克 夸克間的強核力比核子間的強核力還要大！
- 70. 核衰變 CH2 物質的組成與交互作用 70 1897年 發現 原子核有自然衰變的現象 拉塞福 新原子核 趨於穩定 釋放特定粒子 特定電磁波 α 衰變 β 衰變 容易被吸收 具有更強穿透性的 產生新的原子核
- 71. 原子核的穩定性與α 衰變的原因 CH2 物質的組成與交互作用 71 10-15m 使新原子核穩定大型原子核 >10-15m 強作用不足以克服質子間的正電排斥力 一些核子呼朋引伴脫離原子核的束縛 α 粒子 ➔氦原子核 原子核放出α 粒子的變化稱為α 衰變 需要更多的中子才會穩定
- 72. 弱作用Weak interaction CH2 物質的組成與交互作用 72 原子核放出 β 粒子 β -衰變 平均經過約900 s 左右就會轉變成質子， 同時射出電子與反微中子 最典型的β -衰 變 𝑛 → 𝑝 + 𝑒− + ҧ𝜈 單獨存在的中子不穩定 無法以重力、電磁力或強作用解釋 自由中子的衰變
- 73. 弱作用Weak interaction CH2 物質的組成與交互作用 73 適當方式提供能量給質子 質子也有機會變成中子 放出一個帶單位正電荷的電子 雙胞胎兄弟-正子（positron） 𝑝 → 𝑛 + 𝑒+ + 𝜈 𝑒 原子核放出 β 粒子 β -衰變
- 74. 弱作用Weak interaction CH2 物質的組成與交互作用 74 費米 提出β衰變的理論 自然界中尚有另一種交互作用力 與 放射性衰變 過程有關。 發生在核子(質子或中子)內部 作用力影響的範圍大約在10-3飛米左右 「弱核力則是夸克與電子（外加微中子） 間的交互作用」 。
- 75. 太陽的核熔合反應 CH2 物質的組成與交互作用 75 強作用 使 原子核 穩定存在 弱作用 中子衰變成質子需要約900 s 弱作用與強作用 太陽的核熔合反應 能繼續發熱發光50億年
- 76. 基本作用力整理 CH2 物質的組成與交互作用 76 自然界 有 四種 基本交互作用 強作用 弱作用 電磁力 重力 強 弱 短程力 長程力
- 77. 例題2-5 CH2 物質的組成與交互作用 77 自然界的力可化約為四種基本交互作用， 請在下列表格中填入一個對應的基本交互作用。 自然界或生活中的現象 最主要的基本交互作用 (1) 兩個班級拔河對峙的力 (2) 衛星繞地球的向心力 (3) 3M 無痕膠條的黏力 (4) 自由中子產生β 衰變 (5) 蘋果成熟由樹上掉下 (6) 原子核中質子與質子結合的力 最主要的基本交互作用 ➔ 電磁力 ➔ 重力 ➔ 電磁力 ➔ 弱核力 ➔ 重力 ➔ 強核力
- 78. Thank for Contoso Ltd. https://mysecretpark.blogspot.com/ your attention 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx