科学者と技術者のための物理学

引用

Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers, Extended Version (6th ed.). W. H. Freeman.

章の要約

拡張版は第1〜41章と、特殊相対性理論を扱う第R章を含み、巻末に付録、数学チュートリアル、奇数番号の問題の解答、索引がある。全体は六つの部、すなわち力学、振動と波動、熱力学、電気と磁気、光、現代物理（最後の部は拡張版のみ）に分かれる。同じ内容は三分冊（第1〜20章とR、第21〜33章、第34〜41章）でも、標準版（第1〜33章とR）としても出版された。

第1章：測定とベクトル

第I部（力学）の前に置かれた導入の章。単位、測定、そして本書全体で使われるベクトル。

第I部　第2〜5章：1次元の運動、2次元および3次元の運動、ニュートンの法則、ニュートンの法則の追加的な応用

1次元、続いて2次元・3次元の運動学。そのあとニュートンの法則と、応用に当てられたもう一つの章。

第I部　第6〜10章：仕事と運動エネルギー、エネルギー保存、線運動量保存、回転、角運動量

仕事と運動エネルギーがエネルギー保存につながり、次に線運動量の保存、最後に回転と角運動量が来る。この部は保存則を軸に構成されている。

第R章：特殊相対性理論

第10章の後、第11章の前に置かれた相対性理論の章で、力学の流れの中にある。拡張版では第39章でこの主題を再び扱う。

第I部　第11〜13章：重力、静的つり合いと弾性、流体

重力、静的つり合いの条件と弾性、そして流体。

第II部　第14〜16章：振動、進行波、重ね合わせと定常波

振動運動、次に媒質中を伝わる波、そして波の重ね合わせと定常波。

第III部　第17〜20章：温度と気体の分子運動論、熱と熱力学の第1法則、熱力学の第2法則、熱的性質と熱過程

温度と気体の分子運動論、熱と第1法則、第2法則、そして熱的性質と熱過程を扱う最後の章。

第IV部　第21〜25章：電場I：離散的な電荷分布、電場II：連続的な電荷分布、電位、電気容量、電流と直流回路

一般性が高まる順序で静電気学を扱う。離散的な電荷がつくる場、次に連続分布の場、続いて電位と電気容量、最後に電流と直流回路である。

第IV部　第26〜30章：磁場、磁場の源、電磁誘導、交流回路、マクスウェル方程式と電磁波

磁気力と磁場の源、誘導、交流回路、そしてマクスウェル方程式と電磁波を扱う最後の章。

第V部　第31〜33章：光の性質、光学像、干渉と回折

光とその性質、像の形成、そして波動光学。

第VI部　第34〜38章：波と粒子の二重性と量子物理、シュレーディンガー方程式の応用、原子、分子、固体

拡張版のみ。量子物理への導入、シュレーディンガー方程式の応用、そして原子、分子、固体。

第VI部　第39〜41章：相対性理論、原子核物理、素粒子と宇宙の始まり

相対性理論、原子核物理、そして素粒子と宇宙論を扱う最後の章。

付録と数学チュートリアル

A. SI単位と換算係数、B. 数値データ、C. 元素の周期表、数学チュートリアル、そして章末の奇数番号の問題の解答。

主要概念

第1〜13章：力学

• ニュートンの法則：第4〜5章で展開される、力に基づく運動の記述。
• エネルギー・線運動量・角運動量の保存：第7〜10章の三つの保存則。
• 静的つり合いと弾性：つり合いの条件と、物質の応答。

第14〜20章：振動、波動、熱力学

• 重ね合わせと定常波：波の合成と、そこから生じる共振のパターン。
• 熱力学の第1法則と第2法則：熱を含むエネルギー保存と、熱を仕事に変える際の限界。

第21〜30章：電気と磁気

• 電位と電気容量：エネルギーに基づく電場の記述。
• 電磁誘導：磁束の変化による誘導起電力。
• マクスウェル方程式：電磁波へとつながる統一的な記述。

第31〜41章：光と現代物理

• 干渉と回折：光の波としての振る舞い。
• シュレーディンガー方程式：第35章で応用され、続いて原子・分子・固体の章が来る。
• 相対性理論：第R章で導入され、第39章でさらに展開される。

批判的分析

長所

• 一冊で完全な微積分ベースの課程。 拡張版は測定から素粒子と宇宙の始まりまで及ぶので、一冊で3学期分の課程を網羅できる。
• 柔軟な構成。 出版社は同じ内容を標準版、三分冊、拡張版として提供したので、力学だけ、電気と光だけ、現代物理だけが必要な学生は一部だけを使える。
• 組み込まれた数学の支援。 本には数学チュートリアルが含まれ、出版社の説明によれば、戦略的な問題解決の手法と概念理解を助ける新しい手段もある。微積分から離れていた学生は、このチュートリアルで復習できる。
• 相対性理論を早く扱える。 第R章が力学の流れの中にあるので、相対性理論を早く扱いたい課程は、角運動量の直後に教えることができる。

短所

• 分量。 拡張版は1,300ページを優に超え、一般的な課程が扱う範囲より多い。教員は章を選ぶことになり、標準版は第33章で終わって、第R章以外に現代物理がない。
• 相対性理論が2度出てくる。 第R章と第39章がどちらも特殊相対性理論を扱うので、どこで教えるかは読者の判断になる。
• 現代物理は拡張版のみ。 量子、原子、固体、原子核、素粒子の物理は第34〜41章にあり、標準版には含まれない。手元の版を確認すること。

コースにおける位置づけ

Physics for Scientists and Engineersは、この書目にある、微積分ベースの本格的な一般物理の教科書の一つで、Fundamentals of Physics、Principles of Physics、University Physicsと並ぶ。扱う範囲は基本的に同じなので、選択は主に文体、問題集、使われる課程による。TiplerとMoscaの特徴は、組み込まれた数学チュートリアル、力学の中で相対性理論を扱える第R章、そして拡張された現代物理の部である。数学をほとんど使わずに一巡したいなら、HewittのConceptual Physicsが考え方を示し、OpenStaxのCollege Physicsは無料の代数ベースの課程である。

力学をさらに深めるには、KleppnerとKolenkowのAn Introduction to Mechanicsが要求水準の高い微積分ベースの教科書であり、200 Puzzling Physics Problemsはヒントと完全な解答の付いた問題集である。The Feynman Lectures on Physicsは、同じ主題の多くについて、概念を軸にした別の説明を与える。

本書の使い方

本書は、微積分ベースの一般物理の課程を履修する理工系の学生のためのものである。数学チュートリアルは、使われる数学の復習になる。

実用的な進め方：

• **力学（第1学期）：**第1〜13章。課程に相対性理論が含まれるなら第R章も。
• **波動と熱力学：**第14〜20章。
• **電気・磁気・光（第2学期）：**第21〜33章。
• **現代物理（拡張版）：**第34〜41章。最後の学期の内容として、または先読みとして。
• **任意：**分冊を利用して、必要な部分だけを持ち歩く。

各章を読んでから問題に取り組み、巻末に印刷された奇数番号の問題の解答を確かめる。なじみのない微積分の技法に出会ったら、導出を飛ばさず、数学チュートリアルで補うこと。