為什麼高中物理充滿了力學單元??

圖為台大物理系古典電力學課, 亞歷桑納大學光學院長Masud親自操刀....電磁學和電磁波課程充滿了動量, 動能來表述完整的物理概念..力學現象貼近生活與週遭容易想像的物理圖像, 所以當然方便表述科學概念.


為什麼高中物理充滿了力學單元?文/陳育霖
人 常常心裏有種感覺, 但是未說出來或者說不出來, 有一天別人提了, 幫你把腦袋裏面的許多概念化成具體的言詞或文字, 終於豁然開朗, 大快人心..我曾經在腦袋當中想了一個國中國文老師問的問題超過十年, 然後有一天洗澡突然把答案想出來, 兩種感受在我的心裡幾乎是完全一樣地開心.

國中開始, 就從理化老師身上感受到理化這學科的深遠影響, 學了高中物理之後, 更是和大家都一樣相信, 精通物理, 必定能夠完成許多事情, 物理真是無遠弗屆, 小到基本粒子, 大至宇宙, 所有萬物都受他的管轄沒有例外. 所有問題都能化約成物理的問題來描述, 化學變化--就是那一堆分子和原子的碰撞, 知道分子原子之間的所有作用,化學問題迎刃而解...所以所有的人, 都習慣用上"機制"(mechanism)這個詞來質問別人整個科學現象的來龍去脈(後 來發現這樣取捨問題的範圍, 根本不切實際而且解不出問題的真相, 因為每個學科或者領域都有他們描述現象的適當距離美感, 拿電子顯微鏡當然不適合用來觀察天空中恆星和星雲!!這不只是美學的問題, 1972年, P. W. Anderson在一篇Science的著名文章中就提到不同尺度下的物理相異性"More is different")

古典力學課的老師說過一句話, 幫我解答了這一個兩難又模稜兩可的問題, 他說"整個科技界是物理掛帥, 而物理界又是以力學掛帥". 我當時聽了覺得老師說的很有道理, 科技社群的每一個人描述一個自然現象, 都用物理的語言, 或者以物理的內涵來使別人理解現象本身. 而物理又以力學掛帥, 在物理學家眼中所有的物理現象都可以化約成力學現象的一種, 所以物理系碩士班才必修四大力學(古典力學, 古典電力學, 統計力學, 量子力學)缺一不可. 當然這和物理這個學科本身的完整邏輯性應該有密切關係.. (至少比起許多學科)

回想大家受教育的過程, 高中物理課本當中, 各個單元的難度順序由最難排起應該是力學, 電磁學, 近代物理; 在大學物理系學完大一普物之後, 各個課程的難度順序由最難排起則是, 量子物理, 電磁學, 力學正好顛倒(當然研究所古典電力學的數學在江湖上可也不是浪得虛名).

我 想應用數學的程度大概是原因之一, 另外就是抽象程度的問題, 力學還是比較接近日常生活經驗, 許多現象平時都看得見, 甚至每天都在大家的面前上演. 而電磁學和量子物理則相對抽象, 所以這些課本在描述抽象的現象時總會以力學的例子來類比電磁現象或者量子行為. 因為這樣才貼近讀者聽眾的日常經驗. 所以這也就是為什麼要說物理是以力學掛帥了. 事實上仔細觀察"機制"這個詞的英文--mechanism, 是不是長得很像力學的英文--mechanics??

至於高中課本才剛引進學生入門, 所以當然多數是研究與生活經驗較為貼近的力學, 如果以高中物理的單元比重來看整個物理學, 那就會有失準確. 看看研究所普通物理考試, 近代物理的出題比重都大約佔百分之三四十就會了解何者對科學應用面來說可能是重要的事.  

其實不止高中物理單元如此, 實際上物理學家在陳述自己的研究成果時, 仍然習慣以力學現象來類比或陳述.

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