物理学の原理

引用

Serway, R. A., & Jewett, J. W., Jr. (2013). Principles of Physics: A Calculus-Based Text (5th ed.). Cengage Learning.

章の要約

第5版は31章からなり、冒頭の「物理学への招待」、付録、そして各章を貫く九つの「コンテキスト」（Context）がある。コンテキストは実世界の事例で複数の章をつなぐものである。各コンテキストには導入部分と結びがあり、その章の物理をテーマに結びつけている。本書は約1,200ページである。

物理学への招待、第1章：序論とベクトル

この分野への短い導入に続き、単位、次元解析、座標系、ベクトルを扱う。第1章では、本書全体の例題で使われる「一般的な問題解決の戦略」（General Problem-Solving Strategy）も導入する。

コンテキスト1と第2〜7章：代替燃料車

1次元の運動、2次元の運動、運動の法則、ニュートンの法則のさらなる応用、系のエネルギー、エネルギー保存。力学の中核で、運動学とニュートンの法則から、仕事、運動エネルギーと位置エネルギー、エネルギー保存まで進む。背景となるコンテキストは代替燃料車である。このコンテキストの結びは「現在と将来の可能性」と題されている。

コンテキスト2と第8〜11章：火星への旅

運動量と衝突、相対性理論、回転運動、重力・惑星の軌道・水素原子。特殊相対性理論は力学の途中に置かれ、現代物理への早い導入になっている。続いて回転と重力があり、水素原子が惑星の軌道と結びつけられる。結びは「成功した計画」である。

コンテキスト3と第12〜14章：地震

振動運動、力学的な波、重ね合わせと定常波。振動、波の伝わり方、干渉。結びは「リスクの最小化」。

コンテキスト4と第15章：心臓発作

流体力学。この章は独自のコンテキストをもち、それは今回の版で新しく加わったものである。結びは「心臓発作」と題されている。

コンテキスト5と第16〜18章：地球温暖化

温度と気体の分子運動論、熱過程におけるエネルギー：熱力学の第1法則、熱機関・エントロピー・熱力学の第2法則。結びは「地球の表面温度の予測」。

コンテキスト6と第19〜21章：雷

電気力と電場、電位と電気容量、電流と直流回路。結びは「落雷数の決定」。

コンテキスト7と第22〜23章：医療における磁気

磁気力と磁場、ファラデーの法則とインダクタンス。このコンテキストは第5版で新しく、「核磁気共鳴と磁気共鳴画像」で終わる。

コンテキスト8と第24〜27章：レーザー

電磁波、光の反射と屈折、鏡とレンズによる像の形成、波動光学。結びは「レーザーを使ったデジタル情報の記録と読み取り」。

コンテキスト9と第28〜31章：宇宙とのつながり

量子物理、原子物理、原子核物理、素粒子物理。最後のコンテキストは「問題と展望」で結ばれる。

付録

A. 表、B. 数学の復習、C. 元素の周期表、D. SI単位、そしてクイックテストと奇数番号の問題の解答。

主要概念

第1〜11章：力学

• 一般的な問題解決の戦略：第1章で導入され、例題で使われる決まった手順。
• 系のエネルギーとエネルギー保存：第6〜7章の焦点。
• 運動量と衝突：回転と重力の前に適用される保存則。
• 特殊相対性理論：力学の流れの中で教えられる現代物理の話題。

第12〜18章：波動、流体、熱力学

• 振動と重ね合わせ：単純な振動子から波の干渉と定常波へ。
• 気体分子運動論とエントロピー：温度と第2法則のミクロな描像。

第19〜27章：電気、磁気、光学

• 電場と電位：第19〜20章。電気容量を含む。
• ファラデーの法則とインダクタンス：第23章。
• 反射・屈折・波動光学：第25〜27章。

第28〜31章：現代物理

• 量子物理と原子構造：第28〜29章。
• 原子核物理と素粒子物理：第30〜31章。

批判的分析

長所

• 簡潔な微積分ベースの課程。 Cengageは、本書が従来の主題に簡潔に取り組み、現代物理を早く導入し、全体を通して現代的な話題を取り入れていると説明している。31章で力学から素粒子物理までを扱い、この書目の最も大きな教科書より章数が少ない。
• 文脈の中の物理。 九つのコンテキストは、自動車や地震からレーザーや宇宙論まで、各部に魅力的なテーマを与える。そのうち二つ（心臓発作、医療における磁気）はこの版で加わり、問題や例題にも生命科学の応用が増えた。
• 方法をもつ例題。 例題は二段組みの形式に作り直され、概念の説明を数式の横に置き、できるだけ記号のまま解き、一般的な問題解決の戦略に従い、約3分の1に「What If?」（もし〜だったら）の発展が付く。
• 構造をもつ問題集。 約2,000問が、印で示された三段階の難易度に分かれ、3分の2は節に対応付けられ、残りは「Additional Problems」（追加問題）と表示される。奇数番号の問題の解答は巻末にあり、クイックテスト（Quick Quizzes）が章内で理解をすぐに確認させてくれる。

短所

• 簡潔さは取捨選択を意味する。 この書目にある大部の百科事典的な教科書と比べると、各主題の扱いは引き締まっており、現代物理の章（28〜31）は量子、原子、原子核、素粒子にそれぞれ1章ずつである。
• 内容が時期に縛られる。 2013年版の更新、たとえば大型ハドロン衝突型加速器での実験の状況や2011年3月の日本の原子力災害は当時のものを反映しており、その後の進展は含まない。
• オンライン資料への依存が強い。 Cengageの問題解決チュートリアル（「Master It」）、解法動画（「Watch It」）、採点付き宿題はEnhanced WebAssignを通じて提供され、印刷された本とは別である。

コースにおける位置づけ

Principles of Physicsは、この書目にある微積分ベースの一般物理の教科書の一つで、Fundamentals of Physics、Physics for Scientists and Engineers、University Physicsと並ぶ。これらの中では最も簡潔で、標準的な主題をより少ないページで学びたい課程に向き、相対性理論を早く扱うことと文脈に沿った構成によって現代物理の色彩がある。他の三冊は41〜44章であるのに対し、本書は31章である。

もっとやさしく一巡したいなら、HewittのConceptual Physicsがほとんど数学を使わずに考え方を示し、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付きの問題集、The Feynman Lectures on Physicsは同じ主題の多くを概念を軸に説明する別の手がかりとなる。

本書の使い方

本書は、1年間の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と、医学や生物学の例から得るものが多い生命科学の学生に向く。代数、三角法、微積分を前提とし、付録Bが使われる数学を復習する。

実用的な進め方：

• **中核：**第1〜8章と第10〜11章（力学）、第12〜15章（振動、波動、流体）、第16〜18章の熱力学の流れ、第19〜23章（電気と磁気）、第24〜27章（電磁波と光学）。
• **現代物理：**第9章（相対性理論）は力学と一緒に学んでも、最後に回してもよい。第28〜31章でシリーズが完結する。
• **コンテキスト：**各コンテキストの導入と結びをテーマとして読む。課程が独自の順序で進むなら飛ばしてもよい。

各章はクイックテストから始め、一般的な問題解決の戦略を例題に当てはめ、「What If?」の変形を自分で試す。三段階の難易度を使って、基本的な問題から難しい問題へと積み上げ、奇数番号の解答と照らし合わせる。