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跟大師學創造力2:牛頓的物理學探索+21個趣味實驗

Isaac Newton and Physics for Kids: His Life and Ideas with 21 Activities

作者:凱麗.何理翰 Kerrie Logan Hollihan

譯者:周宜芳

出版社:字畝文化

出版日期:2017-10-13

產品編號:9789869550802

定價 $380/折扣1冊

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【跟大師學創造力1-5 系列
學習寫作與表達能力 「讀寫科學史」最佳範本
 
以科學家/藝術家的故事追根溯源,和隨手可作的簡單活動,體驗大師的創作歷程,更能幫助讀者「深度學習」,增加閱讀能力及跨領域整合思考能力,獲得全美科學教師聯盟推薦,更受到國內推廣科普的媒體及老師喜愛。
 
鄭國威(泛科學總編輯及共同創辦人)總導讀
張東君(科普作家)專文導讀
姚荏富 (LIS線上教學平台科學史作家)驚艷推薦
 
向近代物理學之父牛頓學創造力——
體為什麼一定會往下掉?行星為什麼會在固定軌道上運行?
 
我不知道世界怎麼看我,但在我眼前的,是一片真理的浩瀚汪洋,完全還沒有探索過。
 
★ 向牛頓學創造力的10個好方法
 

  1. 對事物保有獨特的看法。
  2. 保持好奇,具備高度的專注力。
  3. 擁有一本屬於自己的空白雜記本,並經常使用它。
  4. 遇到問題時,習慣從每個角度思考,才能下結論。
  5. 看世界的方式,永遠可以和別人不一樣。
  6. 在學校生活中,交到真正的朋友。
  7. 找到適合自己的導師。
  8. 提出一連串的大哉問,不斷延伸有興趣的主題清單。
  9. 獨處,思考和懷疑。
  10. 永遠保持觀察事物的習慣。

 
內容簡介
牛頓是個性怪異的奇才,在短短的幾年間,他在物理學、天文學和數學領域都有領先時代的新發現,他發明反射式望遠鏡,解釋行星和彗星的運動,發現光具備多重色彩的本質,並開創數學知識的嶄新領域──微積分。
 
牛頓的三大運動定律影響了物理學的各個領域:研究光的光學;研究熱、能量和氣體的熱力學;還有電力學和磁力學。牛頓以隻手改變科學進展的進程,拉開啟蒙時期的序幕。牛頓不是現代科學家,而是「一腳踩在中世紀、另一腳踏在通往現代科學之路」的先鋒者。
 
本書以豐富的筆觸,描繪這位精采又複雜的人物,讓我們看到一個英國小村莊的牧羊農之子,如何成為歷史上最有影響力的物理學家。
 
本書附有21個實驗活動,對照國小及國中自然、理化等基礎課程內容,運用常見的材料,容易操作。包含:製作水車、製作稜鏡、三大運動定律練習、機率計算、水鐘與燭鐘……等。並收錄科學家大事紀年表、重要名詞解釋、著作索引、參考網站等,方便查找。

凱麗・何理翰(Kerrie Logan Hollihan)
 
她為青少年和孩童而寫作,她覺得年輕人應該接受從事實理解歷史的挑戰。「我在研究、寫作之時,除了描述現象,也思索如何解釋現象背後的原因。」著作曾獲得多項殊榮,如《史密森雜誌》(Smithsonian Magazine)、全國科學教師協會(National Science Teachers Association)、芝加哥公共圖書館和少年圖書指南(Junior Library Guild)等媒體或機構的肯定與讚譽。她喜歡透過學校參訪或在網站上與年輕讀者互動,也樂於走進社區中心或讀書會,接觸好奇心旺盛的成人讀者。

周宜芳
自由譯者與編輯。喜愛分身於書房與廚房,領略創造的樂趣。賜教信箱:yifang.chou@icloud.com

序言
牛頓看到事物的規則。他看到日常生活、日出到日落以及春夏秋冬的節奏。他從太陽、月亮和星星在天空的穩定運行看到了規則。儘管他觸摸不到「遠在天邊」的任何東西,他仍思索著天體的運行是否依循「近在眼前」的一切所遵照的同一套定律。
 
牛頓會製作小風車、水鐘、日晷和風箏,並從中看到風力、水力和日照如何使其作用。這個小男孩透過雙眼和手指的觸覺,感知到宇宙天地同為一體。牛頓開始推想,宇宙萬物運作的背後,必然有某個共通的道理。
 
當牛頓還是個小男孩時,太陽、月球和星星都繞著地球轉的說法正要開始被推翻。在學校上課的日子以及週日上教堂,牛頓或許都曾聽說一種說法,上帝把地球以及地球上的人類安置在宇宙中心。然而,在離伍爾斯索普很遠的地方,有少數幾個人大膽質疑地心說這種核心信念。
 
等到牛頓上大學時,地心說已經站不住腳。但是,一如所有的大學生,牛頓還是要研讀古典學,尤其是古希臘文。希臘思想家很少質疑地心說。最重要的希臘哲學家亞里斯多德相信,宇宙像個一層套著一層的透明球,月球、太陽和星星在專屬層圈裡各安其位。根據亞里斯多德的學說,在月球層之外,一切是恆常不變的。此外,牛頓的教授也同意亞里斯多德的看法。
 
亞里斯多德不認為宇宙是一個整體,相反地,他認為宇宙可以分為兩個部分——「天上」和「人間」。「天上」是完美的,「人間」是混亂的。地球和蒼穹絕對不可能運行如一體。
 
然而當牛頓逐漸長大成人後,他敢於質疑亞里斯多德的世界觀。他鑽研希臘、伊斯蘭和中世紀思想家的著作;他思索哥白尼、克卜勒和伽利略等文藝復興時期天文學家所描述的天體模型。他問道,物體,如樹上的蘋果,為什麼一定會往下掉?
 
後來,牛頓從這個想法出發,建構出一個確切的模型,成為能夠通盤解釋這些現象的第一人。
 
牛頓是「自然哲學家」,也就是我們通稱的科學家或物理學家。牛頓研究的是世界的體系,他的物理學成為科學革命皇冠上的寶石。西元約一五○○年至一七○○年是個變動的年代,人們學習藉由觀察、實驗和建立形式化方法以驗證各種事物的本質。
 
牛頓發現了一套簡單俐落的法則連結「天上」與「人間」。他根據這項發現,寫出史上最有影響力的書之一:《自然哲學的數學原理》,簡稱《原理》。
 
沒錯,牛頓不但是個好奇的人,也是個讓別人覺得好奇的怪人。推崇敬佩他的人很多,不過討厭鄙夷他的人也很多。許多人就是不喜歡他。
 
 確實,英格蘭最聰明的自然哲學家是個特異的怪人。牛頓具備高度的專注力,可以埋頭工作一連好幾個月,幾乎廢寢忘食。不過短短幾年,他在物理學、天文學、光學和數學都有驚人的發現,但卻不曾告訴過任何人。
 
牛頓的內在世界仍然令人費解,只有他自己真正知道有什麼在他的腦袋宇宙中運行。牛頓生性孤僻、傲慢而善妒,記仇可以記一輩子(有事實為證)。到了晚年,他沒有什麼朋友。有時他會怨恨母親、敵視繼父,甚至想著該如何毀掉他們的房子。
 
心性如此激烈尖刻的牛頓,做任何事應該都會搞砸,然而他的思想卻領先同時代的所有人。他問道:「我要如何解釋天與地的運作都是根據同一套簡明的計畫?」
 
牛頓提出重要的大哉問,而他也找到了解答。
 
製作你專屬的「雜記本」
 
牛頓一生保存了大量的筆記本,記錄了他對各種主題的研究歷程。從自然哲學到數學,從煉金術到上帝的本質,幾乎沒有他不曾接觸過的主題。牛頓有一冊知名的筆記本,其實是他繼父的遺物。由於牛頓從來不曾住進史密斯家,他似乎是在史密斯去世後才繼承了那本幾乎完全空白的筆記本。一六○○年代,這本筆記本是非常珍貴的物品,因為當時的紙張極為昂貴,人們根本捨不得丟棄。於是年輕的牛頓接手了筆記本,做為自己的實驗紀錄本。他特別把這本筆記稱為他的「雜記本」。你可以製作自己專屬的「雜記本」,用它記錄你實行本書活動時的觀察結果。
 
所需材料:
* 鉛筆
* 兩張厚紙板或薄磅卡紙,約22公分x 28公分
* 一把剪刀
* 尺
* 打孔器
* 二十張高品質紙張,如履歷專用紙
* 約90公分長的窄版緞帶或細繩
 
製作「雜記本」的封面,在兩張厚紙板上距離左緣約三公分處,用鉛筆輕輕畫一條線,尺對齊線,用剪刀順著尺「畫」線。在每張紙上順著線摺起來再打開,做出摺痕。這樣一來,封面就能俐落地翻開。
 
在兩張封面紙的內側,將尺對齊左緣,每二點五公分標示要打洞的位置,共十個。請注意,記號的間距要均等,與封面紙緣的距離也要一樣。
 
把兩張封面紙疊在一起,沿著左緣打孔。二十張高級紙也重複同樣的程序,做成你的「雜記本」內頁。依序把封面、內頁和封底疊攏整齊。
 
現在要來裝訂你的「雜記本」,把緞帶或細繩對摺後放平,對摺處與「雜記本」底部對齊。拿起緞帶或細繩的兩頭,由下而上依序編繩穿孔。編繩穿孔方向為由前而後。
 
最後,緞帶或細繩的兩頭會在筆記本上端,先打個死結,再打個漂亮的蝴蝶結。按照你的喜好裝飾你的「雜記本」……在你進行本書後續各項活動時,希望你用得開心!
 
製作水車
牛頓還是個小男孩時,曾觀察磨坊如何運用河流的水力,把麥子磨成麵粉。而後他自己製作小型水車,研究它們究竟是如何運作的。
 
你也可以像牛頓一樣製造水車,測試它能舉起多少重量。(不過,你不必像牛頓一樣抓一隻老鼠來做實驗!)
 
所需材料:
*塑膠杯
*麥克筆
*尺
*剪刀
*萬用膠帶
*硬質塑膠吸管
*空的捲線軸
*兩公升的汽水保特瓶
*粗縫線或牙線
*迴紋針或小型彈簧夾
*墊圈或有孔砝碼
 
要製作水車,先從做六扇葉片開始。用麥克筆在塑膠杯上畫出剪裁線,剪下長六公分、寛三公分的六個長方形。
剪下十二段萬用膠帶,每段長六公分、寬一公分。用膠帶把塑膠葉片的長邊黏在線軸上。每片葉片的間距要相等,角度要相同,並確定它們朝同一個方向彎曲。
 
吸管穿過捲線軸心,在線軸兩側的孔貼上膠帶加以固定。接下來的這個步驟你會需要大人幫忙,因為保特瓶比你想像中的還難切割!把兩公升保特瓶的上部切掉,取底部的圓筒。在圓筒上緣的兩個對稱處剪兩個V形切口。距離瓶底約二點五公分高的地方打幾個洞,做為排水孔。
 
把水車輪軸架在圓筒的兩個V形切口上。在吸管的一端,剪兩道二點五至五公分長的剪口。
 
剪一段長約四十公分的粗縫線或牙線。取一段細膠帶。將線的一端穿入剪口,用細膠帶貼好固定。迴紋針綁在線的另一端,在迴紋針掛上墊圈或砝碼。
 
把水車放入水槽,讓砝碼或墊圈自然垂放。現在,慢慢打開水龍頭,讓水流足夠推動水車。水車能拉起砝碼或墊圈嗎?需要多少水力?你的水車能拉得動兩、三個墊圈或砝碼嗎?
 
 
第一章
不凡的少年
 
1658年一個陰沉的九月天,當風開始拂掃整個英格蘭之際,十五歲的牛頓正坐在學校裡的他的座位上;幾個小時之內,一團巨大的風暴將肆虐這個小國。與牛頓同校的男孩們很快就會知道還有一場風暴正在倫敦展開,那是一場政治危機。英格蘭的護國公克倫威爾去世了。現在,誰來統治英格蘭呢?
 
但是,牛頓不擔心風雨,也沒把英格蘭的憂患放在心上。暴風雨帶來了其他東西,一個讓他能夠做實驗的好機會。他迫不及待地衝到戶外,置身在風中。一開始他迎著風跳,接著又背對著風跳,就這樣一次又一次,邊跳邊做記號,看自己跳了多遠。
 
後來,牛頓將這些紀錄和他在溫和天氣所完成的跳遠紀錄做比較,如此一來他更能理解風的性質和它強大的力量。牛頓的實驗顯示,暴風的力量讓他能比平常多跳約30公分。牛頓知道他的同學有可能會懷疑他的發現,因此他用他跳遠時標記、測量的距離當作證明。
 
牛頓出生時情況危急,他能夠活到在風裡做實驗的這一天根本就是奇蹟。1642年的耶誕節,牛頓在家裡出生,但幫他母親接生的助產士認為他一定會死掉。艾薩克小寶寶嬌小到甚至可以裝進約一公升的鍋子裡。出門跑腿張羅事物的家僕甚至不急著趕回來,因為他們確信寶寶在他們回到家之前就會斷氣。新生兒的脖子都沒有力氣,因此會搖頭晃腦的,但是這個小嬰兒實在太虛弱,照顧他的人還得特製一種領子以支撐他的頭。
 
牛頓熬過生命關鍵的頭幾天後,他的母親帶他到伍爾斯索普小村莊的一間小教堂受洗。教區記事錄也記錄了這次的受洗,就像記錄在伍爾斯索普舉行的每一次浸禮:
 
 
主後1642年
艾薩克,艾薩克與漢娜.牛頓之子
於1月1日受洗
 
不過牛頓受洗時,他的父親並沒有在場觀禮。牛頓的父親也叫作艾薩克,他在牛頓的母親懷胎六個月時去世。根據當時的稅務紀錄,牛頓的父親是自耕農,擁有土地,住在一個小莊園。在稅冊上,牛頓的父親用「X」代替簽名,因為他不識字,也不會寫字。牛頓的父親風評並不好,有個見過他的人說他「粗野、放縱又軟弱」。
 
但是,這個「壞男孩」吸引了漢娜.艾斯庫的目光。在那個時代,女生鮮少接受正式教育,但是漢娜的家人讓她學了點讀寫。漢娜可能是透過弟弟威廉.艾斯庫的介紹與艾薩克.牛頓交往,她的雙親也同意了這樁婚事,她的父親送給她一塊農地當嫁妝,農地一年產出的收入大約是五十英鎊,在這對年輕夫妻所處的時代,這個數字遠遠超過一般家庭所得。牛頓的父親於三十六歲過世,死因至今仍然是個謎。
 
依照倫敦的標準,牛頓家稱不上富裕,但一家人過得相當舒適。漢娜繼承了丈夫的土地,以及土地上的一切財物,包括房舍、穀倉、羊隻、牛群和農具。漢娜學會如何管理農場以及在農場工作的工人。漢娜絕對有充分的理由相信新生的寶寶長大以後會繼承農場,並像他的父親一樣經營農場。
 
牛頓家鄉的地名充分反映了當地人養羊維生的狀況(譯注:伍爾斯索普的原文為Woolsthrope,而wool意為羊毛)。伍爾斯索普位於林肯夏郡,距離通往倫敦的主幹道北邊只有大約1.6公里。即使如此,在牛頓的時代,大部分的人很少旅行。許多人一輩子待在家鄉,不曾去過連離家只有幾公里遠的地方。
 
艾薩克寶寶與母親漢娜、外祖父詹姆士.艾斯庫、外祖母(名字已不可考),同住在伍爾斯索普的莊園裡。但是牛頓在將近三歲、經過「幼兒禮」(即不再穿嬰兒服,開始做小男孩的打扮)後,他的人生出現了轉折。離伍爾斯索普幾公里遠的北威特姆,有位頗富聲望、名叫巴那巴斯.史密斯的教區牧師,他的妻子過世,正在物色續弦的對象。漢娜.牛頓的名字引起他的注意。這名鰥夫派信使探問漢娜是否考慮嫁給他。
 
在那個時代,剛失去丈夫或妻子的人不會獨身守寡太久。在史密斯牧師眼中,漢娜是一個好對象,因為她有土地,顯然也能生育。對漢娜來說,嫁給收入穩定又有地位的神職人員,表示她可以結束守寡的生活,同時卸下獨力經營農場的重擔。於是她同意嫁給史密斯牧師。
 
但是,這樁婚事還有個阻礙。史密斯牧師不願意和三歲的艾薩克有任何瓜葛。因此,漢娜一人搬進牧師位於北威特姆的家,把牛頓留在伍爾斯索普,由外祖父母撫養。幸好漢娜有為牛頓設想,她在離開前已經為牛頓的財務經濟做好萬全的準備。根據她與史密斯牧師的婚約規定,他必須保證牛頓擁有「一塊土地」(也就是漢娜在第一段婚姻中作為嫁妝的那塊土地),同時擁有土地產出的年所得。
 
被母親留在伍爾斯索普,牛頓很可能有種被母親拋棄、忽視的感覺。青年時期的牛頓曾在一本筆記裡留下他對此感受的蛛絲馬跡。他在筆記本裡憶及,當他是個小男孩時,曾希望史密斯家的房子失火燒毀。儘管如此,在漢娜有生之年,直到1679年過世前,牛頓都對她盡心盡力,甚至在她生病時幫她調藥。但是牛頓對撫養他長大的外祖父母並沒有什麼特別的感情。他離開伍爾斯索普後,未曾對外人提起過他們。
 
牛頓十歲時,漢娜回到了伍爾斯索普。年齡大到足以當牛頓的祖父的史密斯牧師於1653年去世了,留下了三個和漢娜生的孩子。漢娜帶著三個和牛頓同母異父的弟弟妹妹回到伍爾斯索普。現在,牛頓必須和兩個小孩,班哲明和瑪麗,以及也叫漢娜的嬰兒一起分享母親的關愛。
 
如同伍爾斯索普附近村莊的許多小男孩,牛頓在村裡的學校學習一些讀書和寫字的課程,女孩如果要學習讀書寫字就在家學。他同學的父母只希望兒子的程度足以閱讀《聖經》,過著虔誠的生活長大成人。牛頓同學的家裡即使有書,也沒有什麼值得閱讀的。
 
但是牛頓在伍爾斯索普的家裡有書可讀。漢娜回來時,馬車裡裝載著許多從死去的丈夫的書房帶來的書。牛頓一定注意到那一冊冊、原本屬於他那個陌生繼父的皮面精裝書。在1600年代,不要說小小的伍爾斯索普,即使是整個英格蘭及歐洲,書都是稀少而珍貴的。在那堆書中,有一本幾乎完全空白的筆記本,原是史密斯牧師用來記錄他對上帝的重要想法,那些空白頁都是珍貴的厚磅紙,丟棄實在太可惜了。牛頓日後在上頭寫滿了他精采絕倫的構想。
 
從敬陪末座到名列前茅
牛頓十二歲了,是時候就讀更大、更好的學校。這時的漢娜已經是個富婆,格蘭特罕的國王中學似乎適合她兒子。格蘭特罕是個較大的城鎮,距離伍爾斯索普約約九點六公里。由於距離遙遠,牛頓無法走路上學,所以他借住在克拉克先生位於格蘭特罕的家。克拉克先生是鎮上的藥劑師,擁有一間藥局,他在那裡為病人調製藥品。
 
克拉克先生與他的妻子和繼子女住在藥局樓上,牛頓也搬來與他們同住。牛頓和克拉克先生的繼女變成朋友,她的名字已不可考。反觀牛頓與克拉克的兩名繼子,艾德華和亞瑟,他們相處的情況就不同了。牛頓的個頭比同年齡的男孩小,加上他的怪異習慣,使得他成為這兩個男孩捉弄的對象。在學校也一樣。牛頓就是難以融入其他男孩。
 
牛頓大部分時間都活在自己的世界裡。他喜歡獨來獨往,花很長的時間獨處。但他沒有虛度光陰。他喜歡運用雙手,是個才華洋溢的藝術家。牛頓用怪誕的野獸畫、在英格蘭王最有知名度、受人民喜愛的查理一世的畫像,和學校老師亨利.史托克斯先生的肖像,來裝飾他在頂樓房間的牆面,對此,克拉克先生並不在意。
 
牛頓也喜歡製作複雜的機械模型,例如時鐘和水車。他設計並打造了一具水鐘,掛在克拉克先生的家裡。牛頓也在一樓的藥局裡觀察藥劑師如何混合化學物,創造新物質。
 
格蘭特罕架起第一座風車磨坊時,牛頓也製作了一個小型的複製品。他把設備套在一隻老鼠身上,把牠取名為「磨坊工」,看著牠讓磨坊輪子轉動。牛頓不只製作小模型,也自製小型工具,做為做手工的輔助用品。他喜歡克拉克先生的繼女和她的姊妹淘們,他「經常為她和她的玩伴做一些小桌子、櫥櫃和餐具,用以收藏她們心愛的物品和首飾」,有人這麼回憶道。有一次,牛頓打造出一輛車,他坐進去,轉動曲柄,車子也跟著前進,女孩們這時一定覺得牛頓真是個才華出眾的男孩。
 
雖然牛頓在製作東西方面顯得聰明又靈巧,可是他在學校課業上並沒有展現出什麼天賦。格蘭特罕的學校是按照成績為學生排隊伍的次序。牛頓幾乎排在最後面。然而有一次有個排在他前面的男孩重重地踢了他肚子一腳,讓他幾乎站不穩,在那之後,情況就改變了。牛頓決定以牙還牙,也是自此開始,報復成為他一生慣常的行為模式。他在操場對著攻擊者點名叫陣,痛打對方一頓,把對方摔到教堂牆上。艾薩克.牛頓絕對不准任何人把他當傻瓜。
 
接著,牛頓用另一種方式報復其他男孩。他認真地審視他的學校課業,認為自己的表現應該排在前面。成為國王中學的「第一名男孩」才是最痛快的報復,而牛頓也真的贏得這個夢寐以求的位置。現在,他想要盡他所能學習一切。他精通拉丁文,這是全歐洲受過良好教育的人用來寫和說的語言。他研習希臘文,以求更了解蘇格拉底、柏拉圖和亞里斯多德等學者的思想和研究。
 
牛頓也學習基本的算術,可能還包括一點乘法和除法。代數和幾何學不在國王中學的課程裡。牛頓在那裡求學時,數學並不在重要學科之列,只有木匠和造船工人這一類的手藝人需要學習幾何學。然而,當史托克斯老師看出牛頓的天分,他可能已經將他所知的數學知識傾囊相授。

書籍代號:XBST0002

商品條碼EAN:9789869550802

ISBN:9789869550802

印刷:

頁數:168

裝訂:平裝

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