大学物理学

引用

Young, H. D., Freedman, R. A., & Ford, A. L. (2019). University Physics with Modern Physics (15th ed.). Pearson.

章の要約

第15版は44章を六つの部、すなわち力学、波動／音響、熱力学、電磁気学、光学、現代物理に分けている。各章は学習目標と復習すべき以前の節の一覧で始まり、章末は「Guided Practice」（誘導つき演習）の部分で、そのあとに問題集が続く。

力学　第1〜5章：単位・物理量・ベクトル、直線に沿った運動、2次元または3次元の運動、ニュートンの運動法則、ニュートンの法則の応用

単位とベクトル、続いて1次元および2次元・3次元の運動学、運動の法則、そしてその応用を扱う一つの章全体（摩擦、抵抗、円運動などの問題）。

力学　第6〜8章：仕事と運動エネルギー、位置エネルギーとエネルギー保存、運動量・力積・衝突

仕事、仕事率、運動エネルギーが位置エネルギーとエネルギー保存につながり、さらに運動量、力積、衝突へと進む。

力学　第9〜11章：剛体の回転、回転運動の力学、つり合いと弾性

回転の運動学、続いてトルク、慣性モーメント、転がり、角運動量、最後に静的つり合いと固体の応力とひずみの挙動。

力学　第12〜14章：流体力学、重力、周期運動

流体（圧力、浮力、ベルヌーイの原理）、ニュートンの万有引力の法則と衛星の運動・ケプラーの法則、そして振動する系の力学（調和振動子、振り子、減衰、共鳴）。

波動／音響と熱力学　第15〜20章：力学的な波、音と聴覚、温度と熱、物質の熱的性質、熱力学の第1法則、熱力学の第2法則

波動は独立した部になっている。波の性質とエネルギーの輸送、続いて音、ドップラー効果、共鳴。そのあとに熱力学が続く。温度と熱、比熱と相変化、第1法則、そしてエントロピー、熱機関、不可逆性を伴う第2法則である。

電磁気学　第21〜26章：電荷と電場、ガウスの法則、電位、電気容量と誘電体、電流・抵抗・起電力、直流回路

静電気学から回路まで。クーロンの法則と電場、対称な分布に対するガウスの法則、電位、コンデンサーと誘電体、電流と抵抗、キルヒホッフの法則とRC回路。

電磁気学　第27〜32章：磁場と磁気力、磁場の源、電磁誘導、インダクタンス、交流、電磁波

電荷と電流にはたらく磁気力、ビオ・サバールの法則とアンペールの法則、ファラデーの法則とレンツの法則、自己インダクタンスと相互インダクタンス、リアクタンスと共振をもつ交流回路、そして電磁波と電磁スペクトルにつながるマクスウェル方程式。

光学　第33〜36章：光の性質と伝搬、幾何光学、干渉、回折

電磁波としての光とその伝搬、鏡・レンズ・光学機器での反射と屈折、続いて二重スリットの干渉、薄膜とコヒーレンス、回折パターン、回折格子、分解能。

現代物理　第37章：相対性理論

アインシュタインの基本的な仮定、ローレンツ変換、相対論的力学。

現代物理　第38〜44章：光子：粒子として振る舞う光の波、波として振る舞う粒子、量子力学I：波動関数、量子力学II：原子構造、分子と凝縮系、原子核物理、素粒子物理と宇宙論

光子と物質波、続いて波動関数、原子構造、分子と固体、原子核、最後に素粒子と宇宙論の章。第37〜44章が合わせて現代物理の部をなす。

主要概念

第1〜14章：力学

• 識別・設定・実行・評価（Identify, Set Up, Execute, Evaluate）：本書がすべての例題で用いる四段階の問題解決の方法。
• 仕事とエネルギーの関係と運動量保存：第6〜8章で、力を一つ一つ追わずに運動の問題を解く二つの道筋。
• トルクと角運動量：第10章の回転運動の力学。
• 周期運動：第14章の振動子のモデル。

第15〜20章：波動と熱力学

• 力学的な波と音：波の速さ、強さ、共鳴、ドップラー効果。
• 第1法則と第2法則：熱のエネルギー収支と、自然な過程の向き。

第21〜36章：電磁気学と光学

• ガウスの法則と電位：静電気学の場による記述とエネルギーによる記述。
• ファラデーの法則とインダクタンス：回路から電磁波への橋渡し。
• 干渉と回折：第35〜36章の波動光学。

第37〜44章：現代物理

• 相対性理論：第37章。
• 波動関数と原子構造：第40〜41章。光子と物質波は第38〜39章。
• 原子核物理と素粒子物理：第43〜44章。

批判的分析

長所

• 一貫した問題解決の方法。 Pearsonによれば、研究に基づく手法（識別、設定、実行、評価）がすべての例題、問題解決の戦略、教員用マニュアルと学習ガイドで使われている。新しい例題の「Key Concept」（要点）の記述が、各解答で使われた考え方をまとめている。
• 例題と宿題の間の支援。 各章末の「Guided Practice」には、状況を変えたり既知量と未知量を入れ替えたりする「Key Example Variation Problems」（重要例題の変形問題）と、単一概念の例題から複数概念の宿題へ導く「Bridging Problems」（橋渡し問題）がある。
• 誤解に配慮した設計。 「Caution」（注意）の段落が典型的な間違いを示し、ほとんどの節末にある「Test Your Understanding」（理解度チェック）は多肢選択や順位付けの形式で、答えは問いの直後に印刷され、注釈付きの式は記号とその意味を結びつける。
• 幅広い種類の問題。 この版では、しばしば微積分を使う複数段階の挑戦的な問題が拡充され、どのデータを見積もるかを自分で選ばせる見積もり問題や、前の章の内容を使う累積問題が加わった。

短所

• 分量。 44章あり、1年間の課程で扱える以上の内容を含むので、教員はどの章を省くかを選ぶ。
• 微積分が役に立つ。 挑戦的な問題はしばしば微積分を使うので、学生はそれに慣れている必要がある。
• オンライン資料は別。 Pearsonが宣伝する学習ツールの多く（Mastering Physicsの問題集、講義前ビデオ、動的学習モジュール、Physics Primer）は、印刷された本ではなくオンラインのプラットフォームに属する。
• 版や形式のバリエーション。 同じ内容が、現代物理を含む完全版、分冊、SI単位版として流通している。手に入れた巻に必要な章が含まれているか確かめること。

コースにおける位置づけ

University Physicsは、この書目にある四つの本格的な微積分ベースの一般物理の教科書の一つで、ほかはFundamentals of Physics、Physics for Scientists and Engineers、Principles of Physicsである。特徴は、四段階の問題解決の枠組み、各章末のGuided Practice、そして「現代物理つき」という結びである。OpenStaxも、無料の微積分ベースのUniversity Physicsを3巻で出版しており、費用のかからない代替として、あるいは同じ範囲の別の説明として使える。

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。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力学の教科書であり、200 Puzzling Physics Problemsはヒントと完全な解答付きの問題を提供し、The Feynman Lectures on Physicsは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履修課程にいる理工系の学生のためのものである。代数、三角法、入門的な微積分を前提としている。

実用的な進め方：

• **力学：**第1〜14章を順に。第1〜8章が他のすべての土台になる。
• **波動と熱力学：**第15〜20章。
• **電磁気学と光学：**第21〜36章。電場（21〜24）を回路（25〜26）より先に、続いて磁気と誘導（27〜30）、そして電磁波の第32章。
• **現代物理：**第37〜44章。相対性理論、量子力学、原子、原子核、素粒子。

各章では、まず学習目標を読み、それが指し示す節を復習し、読み進めながら「Test Your Understanding」の問いに答える。章末問題に取り組む前に、Key Example Variation ProblemsとBridging Problemsで方法を練習する。見積もり問題と挑戦的な問題は、標準的な問題を終えたあとの発展的な課題として扱う。