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发布: 7:00am 09/05/2022

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謝上才.物理好幫手

谢上才

我們也想借此良機,拋磚引玉,激發其他學科的精英們也能發揮各自所長,為獨中莘莘學子們提供各種各樣的“好幫手”!

筆者自從2020年3月18日,行動管制令(MCO 1.0)開始實施時,就發願要義務為獨中生編寫一本別出心裁的“好幫手”,引領同學們學習高中物理學的主旨教材,為獨中物理上中下三冊教科書提供同步學習的“好幫手”及“領航者”!

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在兩年多疫情下,和董總統一課程委員會屬下的物理學科委員們多次交流,尤其是今年初開始每個星期天都抽出最少一兩個小時和培風中學的吳德安老師聯線,一頁一頁地校正這本書的內容,終於在4月間定稿,可以放心交給董總的美工設計人員接力完成這本書的出版。

以下是這本書的幾個特色:

其一:為了更直觀地呈現物理學中奧秘的知識點,我們精心製作了“八種圖形”來作為同學們學習物理的“好幫手”,這些圖形包括:

1.經典物理與近代物理的“力、熱、光、波、電、磁、核、量、相”各主要章節的“知識框圖”有利於幫助讀者更直觀(visualization)及系統性的概化(Conceptualization) 各單元的層次與脈絡。

2.各種各樣物理量之間的“關係圖”引導讀者掌握各基本物理知識、概念、規律並瞭解該知識在不同領域的對比與聯繫,也弄清他們之間的相似性及獨特性,方便記憶!

3.研究簡諧運動中能量守恆的“相空間圖”(Phase-space diagrams)也順便了解大自然中生態平衡的重要性。

4.研究氣體熱力學規律的各種類型“pV 圖”方便同學們做計算!

5.研究電路運行的完整“電勢走位圖”(Kirchhoff plots),可以解答電路中的任何問題!

6.詳細解釋各光譜系特徵的氫原子及布朗克量子論的“能階圖”(Energy Levels diagram)。

7.研究相對論能量-動量方程的“相對論三角形”方便解答狹義相對論的種種問題。

8.可以用來簡化分析複雜的實驗數據之“半對數圖”及“全對數圖”(Semilogarithmic and Full logarithmic diagrams)。

如果同學能完全掌握以上的各圖形的內涵及核心知識,一定會在學習物理的道路上達到事半功倍的效能!

其二:新的數學工具

過去同學們在物理解題的過程中,一定用過很多普通的幾何、代數、微積分或三角等數學工具,但是在這本書中,我們嘗試借用一些矢量微積分(Vector Calculus)來處理3D的問題。同學們可以學習Curl(旋度)、Div(散度)、Grad(梯度)、Laplacian(拉普拉斯算子)等算子(Operators)來解如麥克斯韋方程組的偏微方程式(PDEs)!這樣會開啟同學們認識物理世界的新篇章,並會更客觀,更深刻也更全面地欣賞物理知識中的奧秘所在!

其三,相對於同學們手中三冊教科書,這本“好幫手”的內容稍有擴展,我們精心挑選了國內外大學先修班考試(STPM & A Level),“成大數理比賽”及“國際奧林匹克競賽 IPhO & APhO”的一些題目,包括最前沿及最能激發同學們興趣的天文宇宙學,如霍金的黑洞猜想等素材。有利於開拓讀者的思路和境界,希望同學門能常讀常新,並且舉一反三,積極啟動大家天上人間來回的高階思維,從而倡導更多有利民生的跨界創新發明!

其四,這本書也有許多“解題指導”的例題幫助讀者提高分析,思考問題及計算能力,隨後更能導出匠心獨運(intuitive)之結論(paraphrasing the answers)。 在這裡我們也特別強調物理學家獨有的“數感”(Number sense),對於驗算結果的正確與否,我們物理人是有特別敏銳的“數感”直覺!

整體而言,這本書的編輯重點是精心整理出浩瀚物理知識海洋中的系統性、知識性、趣味性、啟發性、有效性及實用性的課題!(An exciting and inspiring learning experience) 。

在疫情下,筆者曾經多次通過網課形式,受邀為寬柔中學的物理進階班試行教導,課後校長、老師及同學們的反饋都很正面。同時我們也用這本書的教材為我國參加奧林匹克物理競賽隊伍進行密集培訓,成效良好!希望其他獨中的同學也能從這本書中收穫寶貴的知識。

同時我們也想借此良機,拋磚引玉,激發其他學科的精英們也能發揮各自所長,為獨中莘莘學子們提供各種各樣的“好幫手”!是為盼。

(作者是隆中華獨中前校長)

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