2009年9月12日 星期六

克卜勒傳奇的一生

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克卜勒的墓誌銘是:「我曾測天高,今欲量地深。我的靈魂來自上天,凡俗肉體歸於此地。」

    克卜勒是現代天文學的奠基者,儘管一生波折,他所提出的行星運動三大定律,影響深遠,促成牛頓導出萬有引力理論。
    2009年是伽利略使用望遠鏡觀測星空400週年,聯合國教科文組織將這一年定為全球天文年。話說1608年,一位荷蘭人無意中發明放大倍率5倍的望遠鏡,消息傳到了義大利,在1609年,伽利略根據他光學方面的知識,自行製造出放大倍率高達20倍的望遠鏡。就在這一年,他首先使用望遠鏡觀測星空,之後不到兩年間,陸續有許多驚人的發現:他把望遠鏡指向月球,發現月球表面坑坑洞洞;指向銀河,發現它是由許多星球組成的;指向木星,發現有四顆衛星圍著它旋轉;指向太陽,發現了太陽黑子。
   1609年對天文學而言,是值得大書特書的一年,除了伽利略首先用望遠鏡觀測星空外,德國天文學家克卜勒也在這一年出版《新天文學》,十年後出版《宇宙的和諧》,前後提出行星運動三大定律,促成數十年後,牛頓導出萬有引力理論。伽利略和克卜勒兩人被公認是現代天文學的奠基者。趁紀念全球天文年之便,本文為讀者介紹有關克卜勒的生平及他對天文學的貢獻。

早年及求學過程
    1571年克卜勒出生在德國韋爾。父親是位個性粗鄙的職業傭兵,曾數次離家外出作戰。有一回離家出走,從此再也沒回來,據說是參與戰役後,死於回家途中。因此,克卜勒從小由母親一手帶大。也許是受父親的影響,母親性情相當古怪。她是小酒館老闆的女兒,除了看顧酒館,也常採集藥草為人治病。據信她也會施展巫術,後來還差一點為此喪命。
    克卜勒三歲時染上天花,導致雙手手指受創,視力受損。雖然他身體不好,但小小年紀,就要在母親經營的小酒館餐桌旁服務。儘管童年充滿痛苦和憂慮,但他天資聰穎,獲得獎學金就讀德語寫作學校,後轉入拉丁語學校。1589年他獲得一筆獎學金,進入杜賓根大學研讀神學和數學。在當時,天文學被視為數學的一部分。
   從著名天文教授馬斯特林(Michael Mastlin)那裡,克卜勒接觸到哥白尼的日心宇宙系統。在當時,教會奉行的是托勒密(Ptolemaeus)在第二世紀提出的宇宙系統,即地心說:地球是宇宙的中心,太陽及所有行星均繞著地球旋轉。哥白尼則認為太陽是宇宙的中心,地球及當時所知的另外五顆行星,都繞著太陽轉動。克卜勒很快就相信哥白尼的宇宙系統,並成為它的擁護者。

初試啼聲:神秘的宇宙
   克卜勒是虔誠的基督徒,立志當牧師。他畢業時,剛好奧地利格拉茲新教神學院需要數學教師,於是天文教授馬斯特林推薦他去任教,因而改變了他的一生。 在格拉茲任教時,克卜勒開始致力於對宇宙的了解,因為他認為了解上帝所創造的宇宙,是基督徒的職責。為此他花許多功夫鑽研希臘的幾何學。
   在哥白尼的宇宙系統下,他開始思索為什麼剛剛好只有六顆行星?什麼決定行星軌道間的距離?他秉持「上帝設計宇宙時,必定要用到幾何」這個信念,來尋找問題的答案。首先他從二維的平面圖形出發,發現一個等邊三角形的外接圓半徑與內切圓半徑之比,約等於土星和木星軌道之比。
   可是,當他嘗試用類似的方法尋找火星及其他行星的軌道時,卻得不到正確的答案。於是,他接著考慮三維立體圖形來解決這個問題。古希臘時期已熟知五種正多面體:正四面體、正六面體(即立方體)、正八面體、正十二面體和正二十面體。五者統稱柏拉圖正多面體。

telescope-pop06-p01 克卜勒<宇宙的神秘>


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   希臘人認為宇宙物質由四個基本元素構成:土、水、空氣及火。柏拉圖認為每種基本元素都對應一種基本粒子,並可用一種柏拉圖正多面體來代表:土對應立方體、火對應正四面體、空氣對應正八面體、水對應正二十面體。多出來的正十二面體,是唯一由五邊形構成的正多面體,具有奇特的數學性質,而五邊形和黃金比例密切相關,因此柏拉圖認為正十二面體對應的是宇宙整體。 【更進一步的內容,請參閱第470期科學月刊】http://w2.hkjh.tc.edu.tw/hkteblog/gallery/3/%E5%85%8B%E5%8D%9C%E5%8B%92%E5%82%B3%E5%A5%87%E7%9A%84%E4%B8%80%E7%94%9F.pdf 







圖片來源:
1.(右圖)Johannes_Kepler.jpg<維基百科,自由的百科全書>http://zh.wikipedia.org/zh-tw/File:Johannes_Kepler.jpg
2.(左圖)Johannes Kepler, From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_Kepler
3.劉柏宏<正多面體介紹>http://museum.math.ntnu.edu.tw/introduction.php?zhuan_lan=jheng_duo_mian_ti
4.Platonic solid, From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Platonic_solid
5.克卜勒用五種正多面體的外接球和內切球來描述行星到太陽的距離關係<宇宙的神秘>http://obser.nmns.edu.tw/04/telescope-pop06.htm

參考網址:
1.約翰內斯.克卜勒<維基百科,自由的百科全書>http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BA%A6%E7%BF%B0%E5%86%85%E6%96%AF%C2%B7%E5%BC%80%E6%99%AE%E5%8B%92
2. 林文隆(2009)<科學月刊>http://scimonth.blogspot.com/2009/04/blog-post_4996.html
3.陳欣儀、周沛虹(2006)<星空裡的紀錄—談克卜勒的發展> http://www.shs.edu.tw/works/essay/2006/10/2006103120583675.pdf
4.歐洲古代天文學-近代天文學的誕生-行星運動定律<AEEA天文教育資訊網>http://aeea.nmns.edu.tw/aeea/courses/right3_6.html
5. 捷克舉行大會紀念刻卜勒定律發布400周年<臺北市立天文科學館>http://www.tam.gov.tw/cgi-bin/Message/MM_msg_control?mode=viewnews&ts=4a95c0d1:52ce&theme=/3790000000/379040000E/379041700E/tam.message2&layout= 6.天文學的發展—-第谷與刻卜勒http://blog.udn.com/eurekaphy/2470664

2009年9月9日 星期三

單元1 天氣的諺語與傳說(9~2月)

上課內容:http://etfamily.tp.edu.tw/miaoni/volunteer?n=docvew&i=1063

上課講義:http://etfamily.tp.edu.tw/miaoni/volunteer?n=docvew&i=1064

What Causes Earth's Seasons?


 
  當地球繞太陽公轉一週時,從地球看太陽,彷彿是太陽在黃道上繞地球走了一週。中國古代的天算家,以黃道上的春分點為0度,每15度定一個節氣。黃道一週360度,一年共有24個節氣,所以每一季就有六個節氣。如下表:


季節


陰曆月份


節氣


陽曆日期


節氣的含義


正月
立春
2月4或5日
春季開始
雨水
2月18或19日
開始下雨
二月
驚蟄
3月5或6日
春雷響了,冬眠動物醒了
春分
3月20或21日
春季過了一半;晝夜等長
三月
清明
4月4或5日
天氣暖了(清和而明朗)
穀雨
4月20或21日
雨量增多,穀類長得好

四月
立夏
5月5或6日
夏季開始
小滿
5月21或22日
麥粒長得飽滿了
五月
芒種
6月5或6日
有芒的作物(麥類)成熟
夏至
6月21或22日
夏天到了;晝最長夜最短
六月
小暑
7月7或8日
天氣開始炎熱
大暑
7月22或23日
一年最熱時節

七月
立秋
8月7或8日
秋季開始
處暑
8月23或24日
暑熱的天氣快完了
八月
白露
9月7或8日
夜間較涼,會有露水
秋分
9月23或24日
秋季過了一半;晝夜等長
九月
寒露
10月8或9日
氣溫更低,夜間都有露水
霜降
10月23或24日
開始有霜

十月
立冬
11月7或8日
冬季開始
小雪
11月22或23日
開始下雪
十一月
大雪
12月7或8日
大風雪
冬至
12月21或22日
寒冷開始;晝最短夜最長
十二月
小寒
1月5或6日
天氣嚴寒
大寒
1月20或21日
一年最寒冷的時節

  這些節氣的含意,是以中原地區的氣候為準,像我們在臺灣,秋、冬並沒有霜雪,夏、秋卻有颱風豪雨。 一年有365.24天,每一節氣「大約」是(而非「恰好」是)十五天,方便農人耕作計時之用。請你翻開農民曆看看,在每一節氣的欄框中,列出許多農作物名稱。也有當令的漁獲名稱,因為漁民要按潮汐作業,農民曆對他們也很重要。 

  中國的農曆最大特色是:月是太陰月(朔望月),年是太陽年。所以每個月的朔(初一)見不到月亮,每個月的望(十五)看到的是滿月,初七、八是上弦月,二十二、三日是下弦月,也就是說日期和月相一致,不像陽曆那樣日期和月相無關;而年卻是以地球公轉太陽一週為一年。這種曆法兼顧了日、月的公轉,是古人高度智慧的發揮。只是每年各節氣不固定於某月某日,所以得買一本曆書來參考。 下為二十四節氣的名稱與其物候:
  • 立春:立是開始的意思,春是蠢動,表示萬物開始有生氣,這一天春天開始。
  • 雨水:降雨開始,雨水將多。
  • 驚蟄:春雷響動,驚動蟄伏地下冬眠的生物,它們將開始出土活動。
  • 春分:這是春季九十天的中分點,這一天晝夜相等,所以古代曾稱春分秋分為晝夜分。
  • 清明:明潔晴朗,氣候溫暖,草木開始萌發繁茂。
  • 穀雨:雨生百穀的意思。雨水增多,適時的降雨對穀物生長很為有利。
  • 立夏:夏天開始,萬物漸將隨溫暖的氣候而生長。
  • 小滿:滿指籽粒飽滿,麥類等夏熱作物這時開始結籽灌漿,即將飽滿。
  • 芒種:有芒作物開始成熟,此時也是秋季作物播種的最繁忙時節。
  • 夏至:白天最長,黑夜最短,這一天中午太陽位置最高,日影短至終極,古代又稱這一天為日北至或長日至。
  • 小暑:暑是炎熱,此時還未到達最熱。
  • 大暑:炎熱的程度到達高峰。
  • 立秋:秋天開始,植物快成熟了。
  • 處暑:處是住的意思,表示暑氣到此為止。
  • 白露:地面水氣凝結為露,色白,是天氣開始轉涼了。
  • 秋分:秋季九十天的中間,這一天晝夜相等,同春分一樣,太陽從正東升起正西落下。
  • 寒露:水露先白而後寒,是氣候將逐漸轉冷的意思。
  • 霜降:見霜。
  • 立冬:冬是終了,作物收割後要收藏起來的意思,這一天起冬天開始。
  • 小雪:開始降雪,但還不多。大雪:雪量由小增大。
  • 冬至:這一天中午太陽在天空中位置最低,日影最長,白天最短, 黑夜最長,古代又稱短日至或日南至。
  • 小寒:冷氣積久而為寒,此時尚未冷到頂點。
  • 大寒:寒冷到頂點。
  二十四節氣中以立春、春分、立夏,夏至、立秋、秋分、立冬與冬至等八節氣最為重要。它們之間大約相隔46天。一年分為四季,「立」表示四季中每一個季節的開始,而「分」與「至」表示正處於這季節的中間。 現代我國所使用的曆法,皆依迴歸年製定,二十四節氣基本上是一致的,前後的相差不會超過一兩天。人們為了便於記誦節氣名稱和大概日期,編了一首『二十四節氣歌』,有興趣記這些節氣的人,可用下列的速記調(每節氣取一個字) ,或許有幫助。
春雨驚春清穀天,夏滿芒夏暑相連;秋暑白秋寒霜降,冬雪雪冬小大寒。上半年在六、廿一,下半年是八、廿三;每年二月開始算,最多相差一兩天。
  前四句裡,每句含有六個節氣,例如:「春雨」兩字代表立春和雨水;最後兩句說明節氣的大概日期,「六廿一」的六是「六日的前後」;「廿一」是指「二十一日前後」。(這裡日期都是陽曆,「廿」讀作「念」,是「二十」的意思)


天 氣 諺 語
冬 看 山 頭 , 春 看 海 口 。
初 一 落 、 初 二 散 , 初 三 落 到 月 半 。
春 寒 , 雨 愈 泉 。
雨 淹 上 元 燈 , 日 曝 清 明 種 。 
二 月 初 二 彈 雷 ,稻 尾 較 重 秤 鎚 。
春 霧 曝 死 鬼 , 夏 霧 作 大 水 。
三 月 死 於 魚 鰍 , 六 月 風 燬 稻 。
初 七 落 至 五 月 十 一 , 初 八 落 至 午 月 節 。
未 食 午 月 節 粽 , 破 裘 不 甘 放 。
夕 暴 雨 , 落 不 過田 岸 - - 農 村 ; 夕 暴 雨 , 落 不 過 車 路 - - 都 市 。
虹 倚 山 , 曝 到 凝 乾 ; 虹 倚 海 , 落 到 無 地 放 屎 。
六 月 初 一 ,一 雷 壓 九 颱 ; 七 月初 一 , 一 雷 九 颱來 。
六 月 十 九 ,無 風 水 也 吼。
好 中 秋 , 好 晚稻
九 月 ,九 降 風 ; 九 月 , 九 公 風
正 月 寒 死 龜 , 二 月 寒 死 牛 ,三 月寒 死 播 田 夫

資料來源:
1. 成功大學-天文學概論-02中國天文學史 -二十四節氣http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/New_page/e_book/
2.天氣諺語http://ms2.htps.tn.edu.tw/~htps9301/else%20partake1.htm
3.天氣諺語http://www.dsjh.ilc.edu.tw/tech/%E6%B0%A3%E8%B1%A1%E8%90%AC%E5%8D%83/28.htm
4.天氣諺語<維基百科,自由的百科全書>http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%A4%A9%E6%B0%A3%E8%AB%BA%E8%AA%9E
5. 二十四節氣<國語日報>http://www.mdnkids.com/24seasons/24index.html
6.科學小芽子-二十四節氣http://www.bud.org.tw/Ma/Ma17.htm

影片來源:
1. What Causes Earth's Seasons? http://www.youtube.com/watch?v=DuiQvPLWziQ
2. What causes the Seasons on Earth ? http://www.youtube.com/watch?v=hvpFp2IJaAc
3. Earth Season http://www.youtube.com/watch?v=kITfNkNxYOM
4. geography seasons http://www.youtube.com/watch?v=taHTA7S_JGk
5. Earth's Seasons, it's all about the angle. http://www.youtube.com/watch?v=EzEAnYQISno
6. Earths Tilt http://www.youtube.com/watch?v=h_g7r5kRmoo
7. Earth revolves around Sunhttp://www.youtube.com/watch?v=QudMwn129cg