五育中學 Ng Yuk Secondary School
物理

【物理之道】

判天地之美,析萬物之理。─《莊子●天下》

人類花了數千年的時間才由輪子發展到汽車,但只花了數十年的時間,使由汽車發展到登陸月球,最近的四百年,是人類歷史以來物理學發展得迅速的時間。在這四百年間,出現了四個黃金頭腦:伽俐略、牛頓、愛因斯坦和霍金。他們為人類、為物理學寫下一篇又一篇優美的樂章,整個世界都因他們而改變,誰能站在他們的肩膀上成為第五個黃金頭腦?

若你對萬物充滿著好奇,

若你擁有尋根究底的個性,

若你擁有刻苦耐勞的精神,

第五個黃金頭腦很可能就是你!

聰明人之所以不會成功,是由於他們缺乏堅韌的毅力。─《牛頓》

 

 

【科學家們】

 

 

伽利略 Galileo Galilei (1564 ~ 1642) 


伽利略出生於意大利的比薩城,他博學多聞,他既是天文學家、數學家,又是物理學家、哲學家。 
伽利略自小就表現出非凡的思考能力、製作和觀察的能力,17歲時進入在比薩大學學醫,期間得以接觸阿基米德和歐幾里德等的數學著作,奠定數學方面相當的深厚的造詣。 
  
18歲時,一次到比薩教堂去做禮拜,他注意到那些搖擺不定的油燈,儘管擺幅不同,只要懸繩一樣長,其擺動周期便會相同。 
因為伽利略常用自己的觀察和實驗,驗證教授們的理論和教條,伽利略並沒有完成他的大學學位,就回家幫父親經營店鋪,餘暇完全投注於自學及獨立研究,勤於學習數學及做實驗。 
  
在友人吉多鮑多伯爵推薦下,伽利略擔任比薩大學的數學講座教授,主講數學及天文。這時期的研究幾乎完全集中於有關運動方面的問題,對亞里斯多德的落體運動提出了質疑,試圖以阿基米德的"浮力原理"來解釋落體運動,認為在真空中物體下落的速度和它的密度成正比,在空氣或水中落下時,則物體的下落速度與物體和所通過的介質的密度差成正比。實際上這段時期的伽利略並未擺脫亞里斯多德思想的影響。

  1592至1610年是伽利略科學研究的黃金時期。伽利略受聘於地中海威尼斯共和國的帕多瓦大學,此地自由的學術氣氛,鼓勵自由研究和自由思想,對伽力略來說較少的教會控制,讓他能充分發揮所長,建立他的科學宇宙觀。在這裡伽利略研究了大量的問題: 

落體運動──發現物體在空氣中落下,它的速度不僅和它的重量及密度有關,還與它的大小及形狀有關,使他意識到空氣阻力的存在; 

斜面運動──他注意到,物體沿斜面向下運動時,速度不斷增大,沿斜面向上運動時,速度不斷減小。這兩種運動變化的差別,完全是由於斜面傾斜的方向不同而引起的;如果一小球從一斜面滾到一個既不向下、也不向上傾斜的平面上,它將會怎樣運動呢?通過實驗,伽利略由此繼續推想,水平面如果光滑得沒有阻力呢?那結果必然是永遠運動下去的,不會停止; 

天文觀察--1594年,伽利略患關節炎在家休養期間,閱讀有關哥白尼日心說的書籍,引起對天文學的興趣,並以哥白尼的信徒自居。1609年,伽利略做出了放大倍數達32倍的望遠鏡,並開始觀察浩瀚的星空,發現月球表面凹凸不平,並不像亞里士多德所說所有天體都是平滑的,另外伽利略亦發現銀河是由千千萬萬顆星星組成,而木星亦有四個衛星。以上種種,都對當時教會觀念有很大的打擊。 
  
另外,歷史上亦流傳了以下這個廣為人知的比薩斜塔實驗的故事。相傳1590年的某一天,在義大利比薩大學的校園裡出現了一張通知,通知裡告訴人們 : 年輕的伽利略教授 ( 當時年僅二十六歲 ),在他的幾位學生的協助下,將於第二天中午在比薩斜塔上做一個內容新奇而有趣的實驗,邀請全體師生前往觀看。第二天中午,在好奇心的驅使下,一些學生和教授按時來到了斜塔腳下,想弄清這個「內容新奇而有趣」的實驗的奧秘著名的比薩斜塔,建於公元一一七三年,塔高55米。當年築塔時,由於塔基出了問題而使塔身發生傾斜,最後成了一座斜塔。 

伽利略向人們解釋了他要做的事。因為在當時歐洲的各個大學裡,長期以來人們都接受著亞里斯多德傳統理論的教育,認為重的物體比輕的物體下落的快。那麼,客觀事實是怎樣回答的呢?實驗開始了。伽利略讓一個學生首先登上斜塔的第二層,將兩個分別重一磅和十磅的鉛球放進一個特製的盒子裡。只見伽利略在塔下一揮手,持盒子的學生一碰按鈕,盒子頓時打開,兩個輕重不同的鉛球同時離開盒子,轉眼之間,只聽「啪」的一聲,兩只輕重不同的鉛球同時落地,這便在場的人都大吃一驚。按著,伽利略分別讓學生在塔的第三層、第五層。

1611年,羅馬教廷向伽利略發出警告,不准宣傳他的學說,;1615年,在教廷的壓制下,他只能秘密地寫書。1623年,直到他的朋友,以保護科學藝術聞名的烏爾班八世即位教皇,伽利略無形中從禁令中解放。1632年,伽利略發表了《關於托勒玫和哥白尼的兩大世界體系的對話》一書,以對話形式表明了他的觀點。但此舉再次激怒教廷,更判他無限期監禁在家中。1635年,伽利略發表了另一部著作《關於兩種新科學的對話》,進一步對力學的問題作出精闢的論述。 

1642年1月8日,伽利略是被認為教會的罪人,含冤而逝,終年78歲。直到1979年,羅馬教廷才承認伽利略所受到的審判是不公正的。

 

牛頓 Issac Newtons (1642~1727)

 牛頓是英國的物理學家及數學家,他出生於一個貧窮的農民家庭。最初,牛頓被送到劍橋學習成為一個布道者,但在學習了數學他強烈被歐幾裡得影響,同時,他也被培根哲學並且笛卡兒的哲學影響。及後因為瘟疫,牛頓被迫離開劍橋,並在這個期間他做一些重要的發現。

 在1675牛頓患上了一個精神病,並且在1679 恢複。從 回覆Hooke的一封信,他提出如果在地球表面拋出一個粒子,這個粒子將在到地球的中心的螺旋。Hooke則回信 宣稱,路徑將不是一根螺線, 但是一個橢圓。之後,牛頓繼續得出軌道的數學。而哈雷亦確信了牛頓的結果並於1687年出版牛頓的計算,Naturalis Principia Mathematica ( 自然的哲學的數學的原則 )。

 在第一部中,牛頓提出並定義了三條牛頓運動定律( 慣性,行動和反應的法律,並且到力量比例的加速 ) 。在第二部中,牛頓提出新的科學的哲學來代替笛卡兒哲學。最后第三部中,則提出引力的假設及以此為月亮運動作一個理論的解釋並且正確預言了哈雷的彗星的回來。

 在光學 ( 1704 ),牛頓在Hooke死後才發表。牛頓觀察到了白光能被棱柱分開為不同的顏色光。另外他亦提出了化學的一個系統,他認為“元素”由原子的不同的安排組成了,並且原子更小的粒子組成。

 盡管他的方法論嚴格地是邏輯的,牛頓仍然深深地相信了一個上帝的必要性,他感到了那“最高的上帝必然存在,並且由一樣的必要性他總是並且到處存在。”

 雖然牛頓的成就可說是前無古人,但他卻這樣認為他只像一個在海灘上玩耍的孩子,只是發現了幾片美麗的貝殼,但在真理的海洋前,仍是一無所知。

 

愛因斯坦 Albert Einstein (1879-1955) 

 愛因斯坦是猶太民族傑出的物理學家,他在德國的Ulm出生,當愛因斯坦是一個嬰兒時 搬了到慕尼黑。在 1886 年愛因斯坦在慕尼黑開始了他的學校事業。像他的小提琴課一樣,他自小便在家接受猶太教的宗教的教育。在 1895年,愛因斯坦因在一個考試中不及格,使他不能到Eidgenossische Technische Hochschule (ETH)修讀電工工程師的証書及成為德國公民的資格,直到 1899年,甚至不能申請瑞士的公民資格,到1901年,才正式得到公民資格。因考試失敗而不能進入ETH,愛因斯坦計劃入Aarau 的中學而進入蘇黎世的 ETH 。

確實地,愛因斯坦以作為數學和物理教師的身份,在 1900年成功的畢業。其後愛因斯坦為了得到一份工作而四出努力,由於他有扁平足和靜脈曲張,他避免服瑞士的兵役。在1901年中,他得到一個教師暫時的工作教授數學。

另一所學校成為臨時教師後,受到友人的幫助,從 1902至1909年,愛因斯坦到了專利局工作。當他是時,在專利局期間,在工作之餘他完成了一個震驚理論物理學界的論文。

愛因斯坦因“在分子的尺寸的新決心上”這一篇論文在,使他在 1905 年從蘇黎世的大學掙了博士銜。在愛因斯坦轉了他的注意到相對速度和加速的基本的問題以前,他出版了一系列論文,在 1905 年開始,在擴散、粘性及光電效應的理論,使他得到了很高的名聲。

在1905年,愛因斯坦發表了他的狹義相對論。他的新理論是建基於為古典相對原則再解釋。愛因斯坦假設了光的速度在任何的觀察系統中都是一樣,後來愛因斯坦更顯示出質量與和能量是等同的,這為統一古典力學和麥克斯韋的電動力學作出了非常大的貢獻。

在1909年,愛因斯坦被認同為一個領先的科學思想家,並且他辭去了專利局的工作。他在1911年在布拉格的大學擔任教授。事實上,1911年是被世人確定愛因斯坦的科學工作重要的一年,水星近日的實驗,証明了愛因斯坦的理論導預測,當光線在太陽附近經過,將會稍微被彎曲。

愛因斯坦因光電效應的工作,為他贏得 1905年的諾貝爾獎。事實上,他是不在場領獎的,當時他到了日本訪問,其後他做了很多國際的訪問,他到過巴黎、巴勒斯坦及南美洲等等。

在 1930年,他再做國際的訪問,其後到了美國。在 1932年第三度訪問美國時,他被聘於普林斯頓大學。在 1932年 12 月裡,納粹在德國得到了權力,自此愛因斯坦永不回到那裡。

 

法拉第 Michael Faraday (1791 - 1867)

法拉第的科學的工作為所有隨後的電工學打了基礎。從他的實驗,直接領導了現代的電動機,發電機和變壓器的設備。法拉第也是他的時代最偉大的科學講師,並使 19 世紀科技大為進展。

 法拉第是電磁的感應、電磁的旋轉,磁電機光的效應、抗磁性,埸理論和很多其他的理論的發現者,在 1791 年 9 月 22 日。很少聽到說法拉第的少年生活,只有在他的的自傳筆記提及,他是在一日校上課,並學會朗誦的基礎及算術。

 在 1805年法拉第 14 歲時,他去到一個書本裝訂商做學徒,在他的 7 年學徒期間,法拉第開始了他對科學的興趣,特別是化學。他在那裡能進行化學的試驗,並且造了他的自己的靜電的機器。但是,更重要地, 法拉第在 1810年加入了城市哲學協會。在這個協會,一班年輕人每個星期都見面,在科學的話題上講課並且討論。這是法拉第給他的第一堂科學課講課的地方。

 1812年,他的學徒生涯結束,有一位顧客給了法拉第 戴維Humphry Davy最后一課堂講課的 4 張票。法拉第出席了這些講課,並寫下筆記,其後,更向戴維送上這些筆記並要求戴維給他一個科學位置的工作。戴維會見了法拉第,但是暫時並沒有空缺。

 後來,戴維被要求找一位代課的講師,他記起了法拉第,於是第二次會見了法拉第,並在 1813年 3 月 1 日,在皇家學院指定法拉第為他的化學助手。在19 世紀 10 年代到 20 年代,法拉第為戴維在化學上講授,然而,在 1813 年 10 月和 1815 年 4 月之間,他伴隨了戴維作科學講授的旅程,戴維更被拿破侖准許,他的妻子,她的侍女和侍從給予一本護照。法拉第,很勉強地同意了成為僕人的角色,在法拉第和戴維之間,這導致一個緊張的關係。

 回到英格蘭後,法拉第在皇家學院成為化學助理,並且繼續進修科學,偶爾也會幫助戴維。在 1818 和 1822 之間,他與外科的儀器製造者詹姆士‧斯托達特合作,改進鋼材的質量。1821年,是法拉第重要的一年,他被提拔成為皇家學院的負責人。在 6 月 2 日他與莎拉結婚。

 同年,亦是他為自然科學知識貢獻的一年。在 1820年,丹麥的科學家奧斯忒做了一個重大的發現----電磁。法拉第在這努力,並且在1821 年 9 月 4 日,他的皇家學院的地下室實驗室中,發現了電磁的旋轉理論 - 電動機背後的原則。

 在隨後的十年,法拉第專注在其他方面的研究,1923年法拉第他液化了氯並且發現了苯,在差不多在電磁的旋轉的發現十年後,他才恢複他在電磁學上工作,在 1831 年 8 月 29 日發現了時感應 --- 變壓器和發電機背後的理論原則。就是這個發現,使 19 世紀期間,電力從科學的好奇變成為有力的科學技術。

 在 1832年 和 1834年 之間,他開發了電氣化學這一個新理論,並製造了許多現在非常熟悉的名詞,如電極、電解質、陽極、陰極和離子。在 19 世紀 30 年代的後期,法拉第開始建立新的靜電和電磁感應的理論,這些新理論使法拉第拒絕了電是無法估計的液體或液體的傳統型的理論,相反他建議了電是從粒子傳遞的一種形式。

 在 1830年 和 1851年 之間,法拉第是在 Woolwich 的皇家軍事學院的化學的教授。他在 1867 年 8 月 2 日於普頓場死了,並且 5 天以后在高門公墓埋葬。

 

焦耳 James Prescott Joule (1818~1889)

焦耳是生於英國的物理學家。出生時正值浪漫主義和工業的革命的年頭,他出身自一個繁榮的釀酒廠家庭。

焦耳沒有上過學校,他自小對釀酒很有興趣,他更在家自學化學及物理學,他在 16 歲時被送到劍橋與著名的英國的化學家約翰‧多爾頓學習。

完成他的教育後,他回到家。他的自立的個性令他在在他父親的家建立了的一個實驗室,並開始獨立的研究。他希望以電動機代替蒸汽機,他的第一件研究便是尋求了改進電動機效率。他的調查使他注意到熱量產生的問題。他的第一篇重要的論文被送到皇家學會,當中指出電流產生的熱對電流的平方成正比。這是第一條連接熱和其它能量的定律。

在 1850,他與“他的著名槳車輪試驗”在熱(Heat)和機械的功(Work)之間建立了等價關係。他也指出當氣體快被速擴展時,會產生涼下來的效果,其後在製冷系統中被使用。

焦耳也是一個發明家,如電焊接及並且排水量泵。大多數他的研究都是自資的,不幸地,自 1875起開始資金短缺,直到他在 1889 死去。

能量的單位,焦耳,便是以他的名字被命名的

 

安培 Andre Marie Ampere (1775 - 1836) 

安培在 1775 年 1 月 20 日在蘇格蘭出生,據稱安培 12歲已掌握了所有的數學,這雖有點誇張,安培自己說,他 13 歲前沒有讀過基本數學。

 在修讀過一些課微積分,安培開始由 Euler 和 Bernoulli 處學習,並且開始了嚴肅的學習。然而這種生活,不久便由於法國大革命的開始而被粉碎,自安培的父親在 1791 接受了地方治安法官的位置後,因被拒絕了從巴黎頒發的指令,而遭到圍攻城池,淪陷後,安培的父親被拘捕並處死。

 當安培搬到一個叫Bourg的村鎮後,他在當地教授物理和化學,但他仍在研究數學。在1809年,他在Ecole Polytechnique教授數學直至1828年,在1826年,安培被指定為法國大學數學系主任直至他死去。在巴黎,安培研究不同的問題。儘管他是一個數學教授,他的興趣還包括形而上學,物理學和化學。

 安培在化學上也做了很重要的貢獻。在 1811年,他提出anhydrous acid是一個未知的元素與氫的混合物,類似氯,為當時為那種元素建議名為氟。

 安培也在光學上工作,在 1815年,他出版了有關光的折射問題。在 1816年,他是光的波浪理論的一個強烈倡導者,他同意Fresnel對光的看法,Fresnel更成為安培的好朋友並且從 1822年,Fresnel住在安培的家直到他在 1827年 的死亡。

 在早的 19 世紀 20 年代,安培聽到,在丹麥的物理學家漢斯‧克裡斯琴‧厄斯特德的試驗性的結果以后,試圖給電和磁力作一個結合的理論。假定在磁鐵物質內有細小的閉合電路,安培提出了一條電路上力的定律。

 在 1820年,安培在巴黎科學院示範各種各樣的電和磁的實驗,並且在對稱原則上,他提出了有關電動力上的問題。安培在電和磁力上最重要的出版物在 1826 出版。它在電力學的現象的數學的理論上被稱為傳記,特別地從經驗演繹了,包含了電力學的定律的數學的推導,並且描述四個實驗,而安培的理論在 19 世紀成為電和磁的基本。同年,安培開始在法國學院授課。在這裡,他是能教他自己設計的課程,因此他在此教授電動力學。

 由於安培在年青時的不幸生活,他希望他的孩子能帶給他一些快樂。他的兒子是一位出名的歷史學家和語言學者,專門研究歐洲的語言文化起源。他在 1830年在巴黎的一所神學院被指定為外國文學歷史的一席。然而他與他的父親的關系卻是不和的。

 

歐姆 Georg Simon Ohm (1787 - 1854)

歐姆是一個德國的物理學家,他出生於1787 年 3 月 16 日。作為一個高中教師,歐姆由電池開始他的研究工作。使用他的自己的設計的儀器,歐姆發現通過一根電線的電流與電線的橫切面積成正比及與電線的長度成反比。使用他的試驗的結果,歐姆定義了電壓、電流及電阻之間基本的關系。這些基本的關系有很大的重要性,他們代表電路分析的真正開始。

 不幸地,當歐姆在 1827年時出版了他發現,他的想法被他的同事排除。歐姆被迫辭去他的教學工作,並且活在貧窮和恥辱中。然而,他所獲得的努力研究在德國以外受到支持。在 1849年 ,歐姆的努力被確認並在慕尼黑的大學作為教授。

 

伏特 Alessandro Volta (1745-1827)

 伏特在意大利出生的一個高貴家庭。他是電池的發明人。在1775年,他發明了起電盤,一台被擦了,就能把電轉移到另外的物體的設備。在 1776 和 1778 之間,發現並且孤立了甲烷氣體。當時有一種由Galvani提出的“動物電”理論,伏特則以他的他推理,和電池的試驗証明動物的纖維或體液不是導電的必要條件。

 他在 1800 造了第一個電池,以一系列金屬磁碟,以酸或鹽水浸泡了的紙板將磁碟分開,這是所有的現代的電池的基礎,並且它是極重要的科學發現,因為它是第一個產生電流的方法。

 Galvani與伏特在電池的爭論,在科學的歷史的最有趣的事件之一,其中並不涉及個人的仇恨,因為 Galvani 和伏打都非常紳士並且是朋友,他們都有崇高的科學原則。事實上,伏特慷慨製造了術語流電"galvanism",認為 Galvani 的工作,“包含了最美麗並且最令人吃驚的發現之一。”奧地利的皇帝在 1815年,任他為 Padua 的大學哲學系的主任。1881以後,伏特的名字,更成為我們今天所聽見,電壓的單位名稱。

 

【努力的成果】

DSE
本校
本校
全港
全港
年份

第 2 級或以上

第 4 級或以上
第 2 級或以上
第 4 級或以上
2017
100%
100%
89.6%
50.9%
2016
100%
88.9%
90.8%
50.7%
2015
100%
85.7%
89.8%
49.0%
2014
100%
63.6%
90.4%
50.1%
2013
95.0%
45.0%
90.3%
49.5%
2012
100%
70.8%
88.8%
48.8%

 

 

HKAL

2009年

2010年

2011年

C級或以上%

15% (全港:22.7%)
(3C)

63.6% (全港:23.8%)
(3A 2B 2C)

25% (全港:24.5%)
(2A 1B 2C)

合格率

60% (全港:74%)

100% (全港:75.7%)

100% (全港:75.8%)

增值指標

7 ( Top 50% VA)

9 ( Top 10% VA)

8 ( Top 10% VA)

 

HKCEE

2009年

2010年

C級或以上%

28.6% (全港:28.9%)
(6B 6C)

20% (全港:32.7%)
(3B 5C)

合格率

78.6% (全港:77.7%)

90% (全港:79.2%)

增值指標

9 ( Top 10% VA)

7 ( Top 50% VA)

 

歷屆同學入讀大學名單相片

 

 

 

【快樂一瞬間】

 

1.中大觀星

2.電子模型工作坊

3.深谷還珠科學比賽

4.青少年發明家比賽(水火箭)

5.科學常識問答比賽

6.電子興趣班

7.靈渠輕送科學比賽