電機專題入門電機專題入門The First Course to Electrical ProjectThe First Course to Electrical Project

國立交通大學電機系國立交通大學電機系 陳永平陳永平 教授教授 編編

壹、電機科技發展史

貳、大學修課貳、大學修課ABCABC參、簡易微積分參、簡易微積分

肆、淺談電子電路肆、淺談電子電路

伍、電機科技簡介伍、電機科技簡介

陸、科技與社會陸、科技與社會

實驗與專題製作實驗與專題製作

一、古希臘時代 約在西元前600年至西元後200年 以埃及為追求知識的遊學中心 對數學、天文、物理、邏輯、生物、哲學有重大貢獻 代表性人物與事蹟

泰勒斯(BC625~545) [1]畢達哥拉斯(BC530~) [2]德莫克利圖(BC420~) ─原子論創始人希波克拉迪(BC460~375) ─科學醫學創始人亞里斯多德(BC384~322) [3]歐幾里德(BC330~) ─ 幾何原理阿基米德(BC287~212) [4]伊拉特斯提尼斯(BC273~192) ─地球圓周39690km赫倫(AD100~) ─ 科技的魔法師托勒密(AD140~) ─天動說伽列諾斯(AD129~201) ─研究血液循環

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國立交通大學電機系 陳永平教授編

一、古希臘時代1. 泰勒斯(Thales, BC624－546年)

A. 生於希臘港口城市米利都(Miletus)B. 西方思想史上第一個留名的哲學家C. 古希臘七賢之首，史稱「科學之父」D. 米利都學派的創始人

- 主張以經驗觀察與理性思維來解釋世界- 第一個提出「什麼是萬物本源？」哲學問題的人- 主張「萬物源於水」

E. 利用日影測量金字塔高度，準確預測日蝕消弭戰爭F. 泰勒斯定理：圓內接直角三角形的斜邊為圓的直徑G. 確認小熊座有助於航海事業，將一年修定為365日H. 曾觀察琥珀摩擦絲綢後吸引輕微絨毛的靜電感應現象

- 關於靜電感應之最早文獻記載I. 畢達哥拉斯早年曾聽從泰勒斯勸告，前往埃及遊學

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國立交通大學電機系 陳永平教授編

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一、古希臘時代2. 畢達哥拉斯(Pythagoras, BC580－500年)

A. 生於愛琴海的摩斯島(Samos)，約與孔子同時代B. 哲學家、數學家和音樂理論家C. 歷經20年旅遊印度、埃及、巴比倫D. 認為數獨立於有形世界，非僅用於計算和記帳而已E. 畢氏定理

- 巴比倫人早在畢氏提出前一千年就在使用 -- 百牛宴傳奇，但震撼於等腰直角三角形- 下令淹死向外人透露無理數的學生希伯斯

F. 創造「哲學家(philosopher)」一詞揭示自然奧秘，熱愛知識

G. 揭示證明的重要性，數學邏輯是真理仲裁者揭示證明的重要性，數學邏輯是真理仲裁者H. 認為可理喻的東西是完美的、永恆的認為可理喻的東西是完美的、永恆的

可感知的東西則是有缺陷的可感知的東西則是有缺陷的

I. 柏拉圖柏拉圖將其發揚光大，並從此支配哲學及神學將其發揚光大，並從此支配哲學及神學

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一、古希臘時代3. 亞里斯多德(Aristotle, BC384－322年)

A. 生於希臘北方史塔吉拉城(Stageira)B. 17歲至雅典進柏拉圖學園近20年C. 名言「吾愛吾師，但吾更愛真理」D. 曾經擔任亞歷山大大帝的老師E. 著作包括物理學、動物學、邏輯學、倫理學、政治、詩歌等F. 蘇格拉底、柏拉圖、亞里斯多德三代師徒是西方哲學的奠基者G. 常與學生在花園內邊散步邊討論哲理，後人稱作「逍遙學派」H. 最先提出歸納法和演繹法，強調以邏輯推理來證明科學原理I. 錯誤假設：「凡是運動的物體，一定有推動者在推著它運動」

基督教以上帝為「第一推動者」使其運動學成為權威

直到牛頓才建立正確的運動力學

J. 錯誤假設：「較重物體的下墜速度會比較輕物體的快」直到十七世紀，被伽利略的比薩斜塔實驗推翻 (?)

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一、古希臘時代

4. 阿基米德(Archimedes, BC287－212年)A. 生於希臘西西里島敘拉古城(Syracuse)

父親是天文學家與數學家

B. 與牛頓、高斯並列史上三大數學家C. 在9歲至埃及亞歷山大城遊學D. 回國後受國王海維隆禮遇，經常出入宮庭，

在優裕環境下研究，幫國王解決問題

E. 數學、物理與機械領域都有重大發現與發明F. 國王的王冠

─以排水法量體積，並提出浮力原理

G. 「阿基米德螺旋水車」H. 槓桿原理「給我一個支點，我可以舉起地球」I. 波埃尼戰爭死於羅馬士兵之手J. 墓碑上以圓柱面包一圓球為圖誌─球面積

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一、古希臘時代 Q&A1. 球面積公式為何？對物理的發展有何重要性？2. 阿基米德如何求得球體積與球面積？3. 何謂祖暅之原理？如何求球體積？4. 何謂卡瓦列里原理？5. 宋代趙塽如何證明畢式定理？

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二、文藝復興與天才的世紀 文藝復興約在14世紀到17世紀 懷特海(Whitehead)稱17世紀是天才的世紀 代表性人物與事蹟

達文西(1452~1519) [1]培根 (1561~1626) ─歸納法克卜勒 (1571~1630) ─行星運動定律伽俐略(1564~1642) [2]笛卡兒(1596~1650) [3]帕斯卡(1623~1662) ─計算器、流體波義耳(1627~1691) ─波義耳定律惠更斯(1629~1695) ─波動論、鐘錶虎克(1635~1703) ─虎克定律、顯微鏡牛頓(1643~1727) [4]萊布尼茲(1646~1716) ─微積分、拓樸學

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二、文藝復興與天才的世紀1. 達文西(Leonardo da Vinci, 1452－1519年)

A. 出生於義大利佛羅倫斯附近的文西城父母為地主與農婦

B. 與米開朗基羅和拉斐爾並稱為「文藝復興三傑」C. 多項領域博學者：

建築師、解剖學者、藝術家工程師、數學家、發明家、…

D. 畫作寫實具影響力：《蒙娜麗莎》、《最後的晚餐》寫實著稱《維特魯威人》對後世影響深遠

E. 著名的概念性發明：直昇機、輕型滑翔翼、降落傘、坦克車太陽能聚焦、計算機但當時只有少數具體可行

F. 手記中的經驗談：「只有我們的判斷會犯錯，實驗不會犯錯」「給問題訂法則前須反覆實驗，看結果是否一樣」

G. 近代教育界培育人才的象徵：多才多藝

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二、文藝復興與天才的世紀2. 伽利略(Galileo Galilei, 1564－1642年)

A. 出生於義大利比薩市，八歲移居佛羅倫斯後入讀比薩大學，並成為該校數學系教授

B. 物理學家、數學家、天文學家及哲學家C. 科學革命中的重要人物，被譽為：「現代觀測天文學之父」、「現代物理學之父」「科學之父」及「現代科學之父」

D. 改良望遠鏡進行天文觀測，確認金星的盈虧發現木星四個衛星（伽利略衛星），觀測並分析太陽黑子

E. 支持哥白尼學說受到裁判所審訊，判定「有強烈異端嫌疑」被迫放棄日心說，並在軟禁下度過餘生1741年正式平反，教宗本篤十四世授權出版所有科學著作1992年10月31日，教宗約翰·保羅二世對該事件表示遺憾

F. 最著名的實驗「質量相異者同時落地」推翻亞里士多德的重物先落地理論

G. 並沒有紀錄表明伽利略真的做了這個著名的實驗文獻記載荷蘭人斯台文在1586年使用2個重量不同的鉛球完成這個實驗

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二、文藝復興與天才的世紀3. 迪卡兒(René Descartes，1596－1650年)

A. 生於法國安德爾-羅亞爾省的圖賴訥（現笛卡爾，因笛卡兒得名）

B. 哲學家、數學家、物理學家C. 將代數與幾何連結，被譽為「解析幾何之父」

為後人在微積分上提供堅實的基礎D. 西方現代哲學思想的奠基人：

理性主義，認為理性(數學方法)比感官可靠唯物論開拓者：「普遍懷疑」、「我思故我在」

E. 對現有知識提出懷疑，不斷驗證─演繹法培根：觀察已知現象，加以整理─歸納法

F. 光學：解釋視力失常原因，設計矯正視力的透鏡G. 力學：發展伽利略運動相對性理論

強調慣性運動的直線性F. 拉丁化的名字—Renatus Cartesius

直角座標系：Cartesian coordinateG. 數學符號最先使用者

已知數a, b, c，未知數x, y, z

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壹、壹、電機科技發展史電機科技發展史

二、文藝復興與天才的世紀4. 牛頓(Isaac Newton，1643－1727年)

A. 出生於英格蘭林肯郡埃爾斯索普村B. 與阿基米德、高斯並列史上三大數學家C. 物理學家、數學家、天文學家

最後一位鍊金術士D. 在哈雷督促下，對彗星運動提出解釋

1687年發表《自然哲學的數學原理》描述萬有引力和三大運動定律論證克卜勒定律與重力理論的一致性闡明動量和角動量守恆原理

E. 發明反射式望遠鏡，成為皇家學會會員探討三稜鏡將白光發散成可見光譜牛頓環、粒子說

F. 發明微積分證明廣義二項式定理提出「牛頓法」逼近函數的零點萊布尼茲：現今之微積分符號

G. 與虎克之論戰：重力、光的波動H. 因鑄幣廠工作表現，1705年安妮女王授予牛頓爵士身份

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壹、壹、電機科技發展史電機科技發展史

二、文藝復興與天才的世紀 Q&A1. 如何以右圖反駁亞里斯多德

重物先落下之理論？

2. 歸納法與演繹法的區別為何？你認為何者對科學的推動幫助較大？

3. 牛頓有那三大貢獻？他的成就是時代創造英雄？還是英雄創造時代？

4. 人造衛星的原始構想為何？

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三、電磁發展時代(1) 約在西元前600年，泰勒斯觀察到靜電感應 約在西元前100年，小亞細亞地區傳誦磁石吸鐵詩歌 十六世紀末

英皇御醫吉爾伯特(William Gilbert, 1540-1603)發現摩擦生電並非琥珀獨有，乃物質通性採琥珀希臘文elektron為字根創新詞electricity，即『電』

吉爾伯特根據當代已知的磁極分布狀況1600年推論出地球是一塊超大的磁鐵年推論出地球是一塊超大的磁鐵

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三、電磁發展時代(2) 1729年，葛雷(Stephen Gary, 1666-1736)

發現導體用接觸方式將電傳遞到未摩擦之物質

1733年，杜費(Charles du Fay, 1698-1739)發現電性分為兩類，兩者會相互抵消

1745年，穆新布魯克(Pieter van Musschenbroek, 1692–1761)製造世界最早的儲電裝置─萊頓瓶(Leyden jar)

1752年，富蘭克林(Benjamin Franklin, 1706-1790)完成費城風箏實驗將雷電儲存在萊頓瓶中證明與摩擦生電的電荷完全相同發明避雷針

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三、電磁發展時代(3) 1766年，普利斯特里(Joseph Priestley, 1733-1804)

在牛頓萬有引力的啟發下，提出重要假設：兩帶電體間的靜電力與距離平方成反比

但僅止於假說，未能以實驗驗證

1785年，庫倫(Charles Coulomb, 1736-1806)以實驗取得數據證明，世人稱為『庫倫定律』此後電學正式由定性分析步入定量分析加速電機科技的發展[電荷單位：庫倫(C)]

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三、電磁發展時代(4) 近代電磁領域卓越貢獻人物與事蹟(I)：

• 瓦特(James Watt,1736-1819) [功率單位：瓦特(W)]發明蒸汽機，促成英國工業革命

• 伏特(Alessandro Volta,1745-1827)[電壓單位：伏特(V)]發明電池

‧歐爾斯狄特(Hans Christian Oersted,1777-1851)1820年從事電流實驗時無意中看到附近的磁針偏轉發現電生磁的現象

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三、電磁發展時代(4) 近代電磁領域卓越貢獻人物與事蹟(II)：

‧安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836)[電流單位：安培(A)]

1823年以完美的數學公式發表電流與磁場的關係，被譽為『電磁學中的牛頓』

‧高斯(Johann Karl Friedrich Gauss, 1777-1855)[磁通密度單位：高斯(G)]

數學領域中的巨擘也致力於天文學、電磁學、測量學等研究

‧歐姆(George Simon Ohm, 1789-1854)[電阻單位：歐姆(W)]

以實驗得出電壓與電流的線性關係比值稱為電阻

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三、電磁發展時代(4) 近代電磁領域卓越貢獻人物與事蹟(III)：

‧法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)[電容單位：法拉(F)]

1831年發現電磁感應提出電動機與發電機原形架構

‧亨利(Joseph Henry, 1797-1878)[電感單位：亨利(H)]

1831年發現自感‧韋伯(Wilhelm Eduard Weber, 1804-1891)

[磁通量單位：韋伯(Wb)] 1833年提出測量地球磁場的方法

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壹、壹、電機科技發展史電機科技發展史

三、電磁發展時代(4) 近代電磁領域卓越貢獻人物與事蹟(IV)：

‧馬克斯威爾(James Clerk Maxwell, 1831-1879) 1864年以精湛的數學歸納出馬克斯威爾方程式確立電磁學與電磁波的理論推論出電磁波以光速在真空中行進預言光也是電磁波

‧赫茲(Heinrich Rudolph Hertz, 1857-1894)[頻率單位：赫茲(Hz)]

1888年以實驗證實電磁波的存在開啟了電磁波的科技世代

‧特斯拉(Nikola Tesla, 1856-1943)[磁通密度單位：特斯拉(T)]

發明感應電動機多相電力系統交流電力系統 [註：1特斯拉(T)=104高斯(G)]

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三、電磁發展時代 Q&A1. 在電磁發展時代之後即進入另一個天才的世紀，

即20世紀，在這個世紀中人才輩出，你是否知道以下科技的相關人物？(a) 電子的發現 (b) 原子模型的建立(c) 超導體的發現 (d) 光電效應(e) 原子能階 (f) 電子電量(g) 電晶體的發明 (h) IC晶片的發明

2. 電機科技自1970年代之後蓬勃發展，你對以下的電機科技了解多少？

(a) 電力 (b) 通訊 (c) 控制 (d) 電子(e) 光電 (f) 資訊 (g) 生醫 (h) 智慧型機器

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