概念物理学

引用

Hewitt, P. G. (2015). Conceptual Physics (12th ed.). Pearson.

章节概要

全书共36章，分为八个部分，后附五个简短的附录。各章内部的小节有编号，每个部分末尾设有一套选择题形式的练习测验。

第1章：关于科学

开篇的短章，讲述科学是什么：测量、科学方法，以及事实、假说、定律和理论各自有何不同。本章还把科学与艺术、宗教并置讨论，并把物理学作为其他各门科学的基础。

第一部分，第2–10章：力学

篇幅最长的一部分，依次是《牛顿第一运动定律：惯性》和《直线运动》，接着是《牛顿第二运动定律：力与加速度》和《牛顿第三运动定律：作用与反作用》。之后转入《动量》与《能量》（冲量、守恒、功能关系、效率）、《转动》（力矩、角动量）、《引力》（万有引力、潮汐、黑洞）以及《抛体与卫星运动》（轨迹、轨道、逃逸速度）。

第二部分，第11–14章：物质的性质

《物质的原子本性》介绍原子、同位素、反物质和暗物质。随后的《固体》《液体》《气体与等离子体》讨论密度、弹性、压强、浮力、表面张力以及物质的第四态。

第三部分，第15–18章：热

《温度、热与膨胀》和《热传递》（传导、对流、辐射，温室效应与气候变化）之后是《相变》（蒸发、沸腾、熔化）和《热力学》，后者陈述热力学第一、第二定律并引入熵。

第四部分，第19–21章：声

《振动与波》涉及单摆、波速、干涉和多普勒效应。《声音》与《乐音》继续讨论共振、拍、响度、音调、音色、乐器和傅里叶分析。

第五部分，第22–25章：电与磁

《静电学》（电荷、库仑定律、电场、屏蔽、电势）、《电流》（电阻、欧姆定律、电路、功率）、《磁》（磁场、磁畴、电磁铁、地磁场）和《电磁感应》（法拉第定律、发电机、变压器、输电）。

第六部分，第26–31章：光

《光的性质》把光作为电磁波来处理，并讨论透明性。随后是《颜色》（加色与减色混合、散射、彩虹）、《反射与折射》和《光波》（衍射、干涉、偏振、全息术）。《光的发射》涉及光谱、白炽、荧光和激光，《光量子》则涉及光电效应、波粒二象性和不确定性原理。

第七部分，第32–34章：原子物理与核物理

《原子与量子》从玻尔模型讲到量子力学和希格斯玻色子。《原子核与放射性》涉及半衰期、探测器、嬗变和测年方法。《核裂变与核聚变》讨论反应堆、质能等价以及受控聚变的尝试。

第八部分，第35–36章：相对论

《狭义相对论》从迈克尔逊–莫雷实验和基本假设出发，讲到时间膨胀、长度收缩、相对论动量和E = mc²。《广义相对论》涉及等效原理、光线弯曲、引力红移、时空弯曲和引力波。

附录

A. 测量体系；B. 关于运动的补充；C. 作图；D. 关于矢量的补充；E. 指数增长与倍增时间。它们提供正文所依赖的最基本的数学支持。

核心概念

第1章：关于科学

• 科学方法：以观察、假说和检验来核实科学论断的方式。
• 事实、假说、定律、理论：这些术语在科学中各自扮演的不同角色。

第2–10章：力学

• 惯性与合力：只有合力作用时运动才会改变，改变的程度取决于质量。
• 作用与反作用：力总是成对的相互作用。
• 动量与能量守恒：孤立系统中保持不变的量，使人无需追踪每个细节就能预测结果。
• 力矩与角动量：力和动量在转动中的对应量。
• 引力与轨道：同一条平方反比定律，解释落体、潮汐和卫星。

第11–18章：物质与热

• 密度、压强、浮力：固体、液体和气体由其原子构成所决定的宏观性质。
• 热传递：传导、对流和辐射这三种热能传递途径。
• 熵与第二定律：自然过程进行的方向。

第19–25章：波、电与磁

• 叠加与共振：波可以叠加，受迫系统在固有频率附近响应强烈。
• 电荷、场、电势：描述电相互作用的基本词汇，在电流与电路各章中进一步扩展。
• 感应：变化的磁场产生电场，是发电机和变压器的基础。

第26–36章：光、原子与相对论

• 波粒二象性：光既表现出波动行为，也表现出粒子行为。
• 半衰期：放射性样品衰变一半所需的特征时间。
• 时间膨胀与长度收缩：光速不变的后果。
• 时空弯曲：广义相对论对引力的解释。

评析

优点

• 通向整个物理学的概念之路。 书中沿用Pearson所说的Hewitt在旧金山城市学院首创的概念式教学法，先讲观念，数学保持在较轻的程度。关于作图、矢量和指数增长的附录提供了正文所需的辅助数学。
• 内置的自我检测。 正文中穿插“Check Yourself”和“Check Your Answer”栏目，“Practicing Physics”栏目把一章的观念变成小型活动，章末材料中有“Conceptual Ranking”排序练习。每个部分末尾还有一套选择题练习测验。
• 覆盖面广。 一册之内从牛顿定律讲到广义相对论，读者可以看到力学、热学、波、电磁学和近代物理如何相互联系。
• 较新的应用素材。 据出版社介绍，本版更新了数字技术、环境和能源方面的内容，并加入链接到作者视频演示的二维码。

局限

• 不能作为定量课程的预备。 本书在设计上是概念性的。将来要读工程或物理专业的学生，需要用微积分版教材做解题训练；本书给予的是词汇和直觉，而不是解题技巧。
• 后面主题篇幅简短。 量子物理、核物理和相对论各占一到三章，足以讲清主要观念，但不足以进行计算。
• 部分附加内容依赖在线访问。 二维码背后的视频演示和Mastering作业与纸质正文是分开的。

在课程中的定位

在本课程书单的入门物理书目中，Hewitt最为平易，对数学的要求也最低。OpenStax的College Physics是免费的代数基础课程，增加了定量解题，适合有代数和一些三角学基础的学生。Fundamentals of Physics、Physics for Scientists and Engineers、Principles of Physics和University Physics都是面向理工科学生的微积分基础教材，习题量大得多；在读这些书之前先读Hewitt中相应的章节，可以预先建立直觉，也可以检验自己在公式出现之前是否已经理解了观念。

希望获得概念深度而非解题技巧的读者，可以读The Feynman Lectures on Physics，它是一部以概念为主线的入门著作，通过物理论证和思想实验讨论许多相同的主题；已学完一门基础课程的读者可以用200 Puzzling Physics Problems，这是一本附有提示和完整解答的习题集。Kleppner与Kolenkow的An Introduction to Mechanics则是只讲力学、要求较高的微积分基础教材。

如何使用本书

本书面向需要对物理学形成整体印象而非技术性准备的学生，例如通识课程的学生，也适合想在微积分基础课程之前先建立直觉的人。不需要微积分，附录涵盖了所需的那一点数学。

一个可行的阅读方案：

• **核心：**第1–10章（科学与力学）是其余一切内容的基础，按顺序阅读；牛顿定律的几章是层层递进的。
• **然后按兴趣或课程选择：**力学和能量学完之后，热、声、电与磁、光这几个部分彼此基本独立。
• **选读：**第七、八部分（原子与核物理、相对论）可以作为最后的巡礼，在熟悉前面各部分之后单独阅读。

先自己回答“Check Yourself”的问题再看答案，尝试“Practicing Physics”的活动，并用各部分末尾的练习测验找出薄弱之处。准备进入微积分基础课程的学生，读完每一部分后可以对照上述教材的相应章节继续学习。