第 4 課 : 認識天文學上的語詞和單位
教授者:陳輝樺
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課程主題

複習天文物理學上基本的語詞和單位:

  • 多大、多高、多胖、多重、多久、多熱、多快、•••等等。
理解與學習這些術語

唯有你能領會這些語詞,你才能瞭解天文學上的概念。

建議參考網頁: AEEA 詞彙

基本單位
所有的物理量都蘊有著它們的單位。以下這四種單位是我們經常會提及的基本單位:
  • 時間 (Time):秒 (seconds)、小時 (hours)、年 (years)、•••等。
  • 距離 (Distance):公分 (cm)、公尺 (m,簡稱為「米」)、公里 (km)、光年 (light Years)、秒差距 (parsec.,pc)、•••等。
  • 質量 (Mass):公克 (gm)、公斤 (kg)、•••等。
  • 溫度 (Temperature):攝氏溫度 (Centigrade,oC)、絕對溫度 (Kelvin,K)。

例如:

  •  時間: 1 年 (yr)= 3.15 ×107 秒 (s)。

                       人的一生歲月 ∼ 8.5 ×108 秒。

  • 長度大小:人的指頭寬度 ∼ 2 公分 = 0.02 公尺。

                              一粒鹽大小 ∼ 0.1 公分。

                              一個原子大小 ∼ 10-10 m (簡稱 1 A = 1 埃,Angstrom)。

                              一個原子核大小 ∼ 10-15 m (簡稱 1 費米,Fermi)。

                              地球的直徑大小 = 12,800 km。


導出單位
除了上述的基本單位外,可以將兩個或多個基本單位合成一個較為複雜、但較易懂的導出單位, 例如下面所提及的單位:
  • 速度 = 距離 / 時間 (即 v = d / t),例如:光速 ∼ 300,000 km/s。
  • 加速度 = 速度的變化 / 時間 (即 a = v / t),例如: 10 秒間,車子由靜止加速至 60 公尺 / 每小時 ,則他的加速度  a = 2.7 m / s2
  • 地球表面重力加速度為 9.8  m / s2
  • 質量密度 = 質量 / 體積,例如:水在長溫下密度為 1.0 g/cm3
  • 粒子密度 = 粒子數目 / 體積,例如:水的粒子密度為 3.7 ×1022 粒子/cm3

 
鉛的質量密度為 11.3 g/cm3 ; 鉛的粒子密度為 3.3 ×1022 粒子/cm3

空氣的質量密度為 1.3 ×10-3 g/cm3 ; 空氣的粒子密度為 3 ×1019 粒子/cm3

太空的質量密度為 2 ×10-24 g/cm3太空的粒子密度為 1 粒子/cm3


你必須先確知的天文距離單單位
你必須先確知的天文距離單位
  • 天文單位 (AU) = 1.5 ×1011  m = 地球與太陽的平均距離。
  • 光年 (Ly) = 9.5 ×1015  m = 6.3,240 AU。
  • 秒差距 (pc) = 3.1 ×1016  m = 206,265 AU = 3.26  Ly。

質量與重量

量測一個物體量的大小是「質量 (Mass)」,而不是「重量 (Weight)」。

  • 重量 = 質量 ×當地的重力加速度,
  • 例如相同的一個人 (質量以 70 公斤計),
  • 則他在月球上時,體重僅有在地球上的 1/6 ;
  • 但是當他在木星表面時,他的體重可達 180 公斤;
  • 若他在太陽的表面,則體重高達 2.1 噸;
  • 若是他站在白矮星上,則體重會達 25,300 噸。
質量是代表著一個物體所擁有慣性量的大小,它並不會隨著重力的大小而改變。

質量是代表著一個物體被外力加速的難易程度。


溫度

溫度代表著一個系統內在運動的特徵。例如:

  • 一個盒子內的氣體,氣體例子或分子移動的速度較快,則盒子內溫度較高。
  • 已知低溫的極限為絕對溫度零度 ( 0 K)。

溫度單位的定義:

  • 攝氏溫度 (Centigrade)

          1 大氣壓下,水的凝結成冰的溫度為 0 oC。水的沸騰溫度為 100 oC。

  • 絕對溫度 (Kelvin)

          0 K 為 - 273.2 oC ,稱為「絕對零度 (absolute zero)」。

          絕對溫度和攝氏溫度的度數關係為    K = oC + 273 。

  • 華氏溫度 (Fahrenheit)

          1 大氣壓下,水的凝結成冰的溫度為 32 oF。水的沸騰溫度為 212 oF。

         華氏溫度僅用於美國的生活上,一般科學上已不用這種溫度制。

          華氏溫度和攝氏溫度相同的度數僅在 - 40  oF = - 40 oC 。


秒弧

我們如何來簡易描述星空中星體的目視位置和距離呢?

  • 在天球 (Celestial sphere) 的涵義, 需要量度的並不是距離長度、而該是角度的大小, 但是在目視觀測中如何簡易地就能辨識它們角度的大小呢?
  • 我們就以一個成年人為例來進行說明, 當你伸直手臂、併攏五指的寬度約為 10 度; 
  • 或是說,單指的寬度約為 2 度; 若你伸直手臂、張開手掌,則五指的寬度約為 20 度。如下圖所示。
  • 例如:日月之間約為 30 分弧。目視木星的大小為 30 - 50 秒弧。眼睛的解析能力約為 1 秒弧。
精確地來表示, 一週天為 2 π 約為 6.2832 弧度 (Radian) , 1 弧度 ( 1 radian) 約等於 57.296 度 (360 度 / 2 π ) ; 一週天 (一圓周) 是 360 度,每一度可分為 60 分, 一分相當於 60 秒, 為了避免和時間的秒混淆, 特別另外定義一個角度的單位:「角秒 (Second of arc or Arc-second)」。 1 角秒 (Arc-sec) = 1" = 4.848118 × 10-6 弧度 (radian) = 2.777778 × 10-4 度 (degree), 或 1 弧度 (radian) = 360 × 60 × 60 / 2 π 角秒 (Arc-sec) ≒ 206,265 Arc-sec ; 1 角分 (Arc-minute) = 60 角秒 = 2.908871 × 10-4 弧度 = 1.666667 × 10-2 度。

 

 

作用力
依據牛頓第二運動定律的描述,作用力 (F) 為物體質量 (m) 和物體產生的加速度 (a) 的乘積。
  • 作用力不但可以改變物體的形狀、運動速度,也能改變物體的運動方向。
  • 作用力的單位:1 達因 (dyne) = g-cm /s2
  • 作用力的單位:1 牛頓 (Newton) = kg-m /s2
  • 重力 (Gravity):地球表面重力加速度為 980 g-cm /s2
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