「公共政策網路參與平台」於前陣子三月時,提案希望將國高中的上課時間,改成早上九點到下午五點。這議題其實並不新穎,早已討論多年,只是因為單單針對上課時間作改動,恐怕會造成家長每日作息上的麻煩。因此多年來的提案,都無法真正付諸實行。齋主於2017年時,曾針對當時的提案,表達若上課時間連帶影響到上班時間的縮短,將導致企業缺乏競爭力,甚至某些製造業可能會選擇出走。
不過經歷疫情後,我倒覺得這是轉變的絕佳時機。多數公司於這段時間的WFH,已經讓工作時間變得彈性。這對於改變學生上課時間來說,有著較前幾年為佳的條件和環境。
在支持延後上課時間的理由中,最常看到的就是希望學子的睡眠時間能長些。但你我都清楚無比,更晚的到校時間,並不代表睡眠時間能因此增加。更真實的情況是,若不是被補習班或課業佔據時間,就是被影劇遊戲塞滿了睡前時間。對我來說,增加睡眠時間實在稱不上是可說服人的理由。
我有更好的幾個理由。
一、社會型態的轉變
台灣產業結構已經從過去的農業、製造業,逐漸轉型為服務業為主。任何一個以三級產業為主的都市居民,多數人的起床時間都比農業社會為晚。將上課時間稍作調整,可說是將教育體制緩步調整為當代都市社會的樣貌。尤其在台灣人口多數聚集於六都的現況下,這樣的調整完全是可思考且應該討論的。
二、上班和交通
對於從事非輪班制的家長來說,多數工作要調整都較為容易,畢竟疫情期間在家工作的文化已經慢慢建立。猜想未來台灣社會的上班型態,會慢慢變成真正的責任制工作。至於父母的輪班制工作,可能就會被上課時間的調整給影響到,這是無法避免的衝擊。
很多人總不負責任地說,小孩上課自己去啊,為什麼要父母接送? 這肯定是交通便利的人才會說的話。就算是六都內也有很多交通不便之地。因此很多孩子不是自己無法上學,而是沒辦法更有交通效率的自行上學。
國中還是學區為主,真正麻煩的是高中。很多學子辛苦考上了第一志願,但因為住得遠,若選擇大眾運輸工具,勢必要花費更多時間到校。因此真有些家長,會為了讓孩子多睡一點,而選擇親自送到學校。當然要解決這種問題,除了增加大眾運輸的建設之外,也可以考慮將汽機車駕照的考照年齡下調。
無論是父母上班時間變得彈性,輪班制工作要更講求效率,或是讓學生有更多自行到校的方法。這些都是社會進步的象徵。
三、課綱調整
縮短上課時間,勢必導致課程內容的縮減。我認為這是絕對的好事。我並不認為義務教育有必要教導那麼多的內容。台灣這數十年來,總想著給孩子最好的,因此總想著別讓孩子輸在起跑點。這導致的結果,就是從學校到家長,每個人都希望孩子在起跑點偷跑。於是教育部希望偷跑一秒,學校希望偷跑兩秒,補習班偷跑三秒,最後家長希望孩子偷跑四秒。
事實證明,義務教育少些無意義的內容,對社會的影響並不大。不會算機率又如何? 手遊抽卡也沒在看機率啊。不懂歷史又如何? 每天詮釋歷史的角度都被電視媒體給扭曲啊。不懂克卜勒定律又如何? 手機APP安裝一下就有星象圖啊。不懂包浩斯又如何? 無印良品或IKEA還是照買啊。
每個科目的教授,都希望多塞點內容進課綱,因為這是他們掌握學術權力的方式。但我們社會真正需要的,卻是讓不必要的內容減少一些。
這三個理由,我支持上課時間做調整。
當然並不是支持全台灣,而是部分都會區真的是有條件能實行。
那麼,你支持嗎?
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第三部分「太空中真的是無重力嗎?萬有引力貫穿宇宙空間」
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未讀第一部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/239431704213490
未讀第二部分的朋友可以先看:facebook.com/davidyu.phycat/posts/240471814109479
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理解了人類渺小不足以察覺地球自轉、並討論了證明地球自轉的直接實驗證據後,我們來討論一個稍為離題的問題:為何太空裡「好像沒有重力」呢?這概念大概是被科幻電影、小說等大眾文化所灌輸的吧!在這一節,我希望直接指出這是個錯得非常離譜的概念。
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首先,我們必須討論一下物理學裡的重力概念。關於「物件為何會往下掉落」這個問題,早於古希臘時期已經有過很多理論,其中最著名的莫過於前兩部分裡介紹的「對宇宙之間的物質作二分法」的例子:天上物質會環繞地球轉動、地上物質會向地球中心墜落。這個理論並沒有解釋為什麼宇宙裡會有兩種不同特性的物質,也沒有解釋到底是什麼力量驅使天上物質的圓周運動以及地上物質的下墜傾向。
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直至哥白尼(Nicolaus Copernicus)過世的1543年,他出版了《天體運行論》(On the Revolutions of the Heavenly Spheres)重新提倡日心說,即亞里斯塔克斯提出日心說的差不多1,800年後。不過,哥白尼的日心說其實並不比托勒密(Claudius Ptolemy)在公元2世紀出版的《至大論》(Almagest)裡描述的地心說更準確。
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事實上,兩者解釋天文數據的能力相當,複雜程度亦相差不遠。這是因為哥白尼的日心模型依然認為天體環繞太陽的軌道必然為正圓形,所以他仍必須使用一大堆複雜的、假想出來的數學規則,才能以與地心模型相同的準確程度去描述天體運行的觀測數據。
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即使到了17世紀初,科學界仍未普遍接受日心說。不過進步是有的。繼承第谷(Tycho Brahe)成為丹麥皇家天文學家的克卜勒(Johannes Kepler)發表了他的三大行星運動定律、發現行星軌道形狀是楕圓形。
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然而,克卜勒第一定律指出,太陽應該位於行星的楕圓形軌道的兩個焦點的其中之一,但這並不正確。事實上,行星並非環繞太陽運動,而是環繞整個太陽系的質心(centre of mass)運動。所以嚴格來說,地心說和日心說都不正確。而且克卜勒亦沒有到解釋行星環繞太陽運行背後的原因。
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「天上的物質vs.地上的物質」這二分法,最後被牛頓(Isaac Newton)所推翻。他提出的萬有引力定律(引力也可稱為重力),不單指出了所有物質之間都會相互吸引,更解釋了這種吸引力的來源就是物件的質量。因此,不論是地上的或天上的物質,所有擁有質量的東西都會互相吸引。
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把牛頓的萬有引力定律和運動定律結合,就會自然地得出克卜勒行星運動定律。因此,牛頓不單發現了重力的解釋,更一舉統一了宇宙間的物理學。「最基本的大自然定律應該是全宇宙適用的」更成為了現代科學研究的一個重要指標。
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跟據萬有引力定律,兩個物體之間的重力與兩者質量的乘積成正比,並與兩者質心之間的距離的平方成反比。換言之,質量越大,重力越強;相隔距離越遠,則重力越小。重要的是重力只會在無限遠時歸零。
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因此,在太空中,尤其是在距離地球很近的太空站或太空船軌道,地球施加在物體身上的重力根本不是零。再者,如果太空中沒有重力,那麼太陽如何吸引八大行星繞其運動?地球又怎能吸引月球環繞我們轉動?所以「太空中無重力」是對力學非常離譜的誤解。
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萬有引力(即重力)從地球、太陽、月球,以及所有天體表面貫穿宇宙空間,因此可說重力在宇宙中無處不在。可是回到最初的問題,為何太空人在太空船、太空站又會漂浮著,就好像沒有重力的樣子?
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牛頓在1687年出版了《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy),裡面描述了一個思想實驗:想像有一個能夠以任何力度發射炮彈的炮台。如果力度很小,那麼炮彈會以拋物線在不遠處落在地面上。如果加強力度,炮彈就能夠飛得遠一些。因此把發射力度逐漸加強,炮彈就能飛得越來越遠才落在地面上。
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我們也知道地球表面是彎曲的,因此如果炮台發射炮彈的力度很強,那麼發射出去的炮彈就會飛越一段很長的距離才下降少許。然而,因為地球表面是彎曲的,炮彈下降同時地面亦會向下彎曲。所以,如果發射力度足夠大的話,炮彈的下降率就能夠「追上」地面下降率,結果就是炮彈永遠不會碰到地面(假設忽略空氣阻力),環繞地球一圈後從炮台後方擊中自己。
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[思想實驗(Gedankenexperiment)指只在腦海中進行的實驗,並不一定有在現實中進行過。當然,思想實驗並不是真的實驗,並不能夠用來作為科學理論的證據。不過很多物理學家都愛用思想實驗去幫助他們跟據已知物理定律想像未知的結果。有時候,透過改變思想實驗的參數而得出不同的想像結果,能使我們對物理概念有更深入的了解。]
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正在環繞地球運行的人造衛星、太空望遠鏡、國際太空站,以及地球的天然衛星月球,都是上述那顆炮彈。他們其實一直都在萬有引力的控制之下,不斷地「跌落」地球,只是由於速率非常快,所以就永遠跌不到落地面、只能環繞地球運行了。
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國際太空站連同裡面的太空人都正在以同一速率前進和「下跌」,因此就看似在太空站中「漂浮」起來了。順帶一提,飛機突然關掉引擎作自由落體,裡面的人也會看似「漂浮」起來,太空人就是這樣訓練如何在太空中「無重力」狀態下工作的。
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因此,太空中根本就不是「無重力(weightless)」。萬有引力貫穿整個宇宙空間,太空人會「漂浮」只不過是「無重力感(weightlessness)」罷了,是錯覺來的。有些電影會有剛飛出大氣層的太空船裡面的人突然漂浮起來的場景,但這完全是大錯特錯。
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德國物理學家夫琅和費(Joseph von Fraunhofer)在1814年使用棱鏡和望遠鏡觀察太陽光譜(注意:這是非常危險的實驗,會對眼睛造成永久損害!),發現太陽大氣的吸收光譜線。經過分析,部分譜線與在地球上找到的元素的光譜線吻合,直接證明天上的物質與地上的物質皆由同樣的元素構成。
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克卜勒第一定律證明 在 PanSci 科學新聞網 Facebook 的最讚貼文
「一閃一閃亮晶晶~好像你的身體~藏在眾多孤星之中~還是找得到你~」
這是你印象中的克卜勒嗎?生於十六世紀的克卜勒,他以《宇宙的秘密》、《新天文學》兩本書奠定了今日克卜勒第一、二定律的基礎。
接下來,他又以另外一本重要著作《世界的和諧》,找出行星軌跡週期和平均距離精確的數學關聯性,也正是克卜勒的第三定律「週期定律」,更成為牛頓寫出萬有引力定律的基礎之一......
延伸閱讀:
在紛亂、窮苦的人間,三本書,讓克卜勒成為「星空的立法者」(上)
https://pansci.asia/archives/194168
克卜勒誕辰|科學史上的今天:12/27
https://pansci.asia/archives/130129
————
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克卜勒第一定律證明 在 Sec.13.4 - 克卜勒定律 的推薦與評價
在第13.4節中,我們使用向量函數演算證明了克卜勒第一定律。 在本專題中,我們將指導你了解克卜勒第二定律和第三定律的證明,並探討其中的一些結果。 ... <看更多>
克卜勒第一定律證明 在 [問題] 克卜勒運動定律適用於太陽系以外嗎? - physics 的推薦與評價
... 以外的其他天體至於,克卜勒第一運動定律可以適用於太陽系以外的其他星體嗎? 高中物理都沒有推導為何行星繞太陽的軌跡是橢圓,也沒證明太陽會在 ... ... <看更多>
克卜勒第一定律證明 在 Re: [問題] 萬有引力證明克卜勒定律- 看板Physics - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
※ 引述《falltasitic (天然呆>"<)》之銘言:
: 高中物理所提到萬有引力證明克卜勒定律的方法
: 是假設行星是以圓周運動方式運行
: 但是克卜勒定律不是橢圓軌道嗎
: 高中物理的證明方式應該是有問題的吧
: 麻煩大大可以幫我解惑一下,謝謝
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其實高中一直都沒有證明過橢圓軌道的克卜勒第三定律
我猜你現在問的是第三吧..Hmm
畢竟第一跟第二比較好理解。
以下證明其實不難,以高中生的程度是可以想到的(我高三就想到了)
在看以前,可以考慮要不要先自己想想看
給你個想法
你要搞出週期,而且這與半徑有關,代表週期與橢圓的特性(半徑、面積?)有關
接著,這週期可不是亂來的,它是遵守了某些定律
好比說,克卜勒第二定律、能量守恆、角動量守恆的,這些定律就像是
邊界條件一樣
所以靠這幾個就可以搞出來了~~
確定要看了嗎? 那就往下吧^^
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下面的證明過程,忘了考慮約化質量所造成的影響
但是我懶得改了,所以看完以後請繼續往下看推文那裏的修文
就可一目瞭然哩
THX
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1.藉由克卜勒第二定律
0.5r1v1 = 0.5r2v2 = πab/T --- (1)
T:橢圓軌道週期
a:橢圓半長軸長度
b:橢圓半短軸長度
r1:近日點距離
r2:遠日點距離
2.藉由能量守恆
-GMm/r1 + 0.5mv1^2 = -GMm/r2 + 0.5mv2^2 --- (2)
取(1)其中一條,0.5r1v1 = πab/T
a = (r1+r2)/2
b = (a^2 - c^2)^(1/2)
c = a - r1 = (r2-r1)/2 代入上式
∴ b = (r1r2)^(1/2)
∴0.5r1v1 = π * (r1+r2)/2 * (r1r2)^(1/2) / T --- (3)
∴ r1v1 = π*(r1+r2)*(r1r2)^(1/2)/T
由(2) 與 r1v1 = r2v2 可整理出 v1(r1,r2,GM)的式子
==> GM(1/r2 - 1/r1) = 0.5(v2^2 - v1^2)
∵ v2 = r1/r2 * v1
∴ 2GM(r1-r2)/r1r2 = v1^2 * (r1^2 - r2^2)/r2^2
∴ 2GM/r1 = v1^2 * (r1+r2)/r2
∴ v1 = [2GM * r2/r1 * 1/(r1+r2)]^(1/2) --- (4)
將(4)代入(3)
==> r1*[2GM * r2/r1 * 1/(r1+r2)]^(1/2) = π * (r1+r2) * (r1r2)^(1/2) / T
==> [2GM*r1r2]^(1/2) * 1/(r1+r2)^(1/2) = π * (r1+r2) * (r1r2)^(1/2) / T
==> (2GM)^(1/2) = π*(r1+r2)^(3/2) / T = π * [(r1+r2)/2]^(3/2)*2*2^(1/2)/T
∴ GM/4π^2 = [(r1+r2)/2]^3/T^2 = (平均半徑)^3/T^2
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 140.112.249.233
※ 編輯: Qmmmmnn 來自: 140.112.249.233 (11/07 11:50)
謝謝提醒,我打到眼花了@~@
你說的沒錯!!感謝提醒。
是約化質量那裏出了問題~。
若要判斷太陽會不會動,其實我個人認為這是沒甚麼意思的。
因為動與不動,是一種相對的概念,所以...接下來你應該懂我想說甚麼^^"
其實你的最後一句話就幫我說出了答案
之所以可看為單體
其實就是站在太陽的座標來看,太陽不會覺得自己在動,會覺得是行星在繞著它轉。
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所以這不是質心座標,而是"太陽的座標"
高中時,幾乎每個老師都說是以質心的角度來看待使用約化質量這件事情。但實際上
卻沒有幾個老師去列式說明這句話的意義。換句話說,其實是要以相對某物的概念,
也就是以"某物的座標系"來看待這雙體運動時,就會得到約化質量這個結果。
在此題,就是以
""太陽看到的行星加速度 = 行星相對太陽的加速度
= 太陽給行星的萬有引力/質量""
來得到此質量為約化質量的。
詳細證明,維基百科有寫,可以去看看。
如果萬有引力的m要換約化質量的話,就表示在不同座標系下所看到的"力"不會相同了。
然後這就與證明約化質量的過程違背了,因為它假設換到另一個某物之座標系上時,
所看見的另外一物的受力與原本相同..
我再重新寫一次好了
1. r1v1/2 = r2v2/2 = πab/T
2.
-GMm/r1 + [Mm/(M+m)]v1^2/2 = -GMm/r2 + [Mm/(M+m)]v2^2/2
位能的值,要由萬有引力去做積分並且令無限遠的位能為0,而萬有引力不會因
以太陽的座標來看而改變,因此位能不會改變..
所以2式就變為
-G(M+m)/r1 + 0.5*v1^2 = -G(M+m)/r2 + 0.5*v2^2
對照上述證明過程
可以得到最後的結果會是
G(M+m)/4π^2 = [(r1+r2)/2]^3/T^2
※ 編輯: Qmmmmnn 來自: 140.112.249.233 (11/07 22:31)
恩,以這角度出發就會知道,當站在質心座標系上觀察時,會覺得它的總能量
變為內動能了,而這時候我覺得...可能就一樣去算它們兩者的動能,
的確會等於0.5*約化質量*相對速度^2吧
不過個人偏好以站在某物的座標系上來看..HMM。
謝謝學長提醒約化質量與萬有引力的事情。
※ 編輯: Qmmmmnn 來自: 140.112.249.233 (11/07 22:42)
... <看更多>