大學物理第 2 版

引用

Urone, P. P., & Hinrichs, R. (2022). College Physics 2e. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/college-physics-2e

章節概要

全書共34章，約1,650頁，附有三個資料附錄和一份答案。前半部分以力學為主幹，後半部分以電磁學為主幹；序言指出，波動、光學和現代物理各自成為獨立單元，教師可以調整其位置。每一節開頭列出學習目標，每章末尾有術語表、逐節小結、概念問題以及習題。

第1章：引論：科學與物理學的本質

先說明物理學研究什麼、定律和理論如何形成，再準備基本工具：國際單位制、單位換算、準確度與精密度、有效數字和數量級估算。

第2–3章：運動學；二維運動學

先講直線運動（位移、速度、加速度、勻加速運動公式、自由落體、運動圖形），再講用作圖法和分量法合成向量、拋體運動和相對速度。瞬時量的引入不借助微積分。

第4–5章：動力學：力與牛頓運動定律；牛頓定律的進一步應用：摩擦力、阻力與彈性

牛頓三定律、自由體圖、正向力與張力、一節專講解題策略，以及關於四種基本相互作用的拓展專題；隨後討論摩擦力、流體阻力以及應力與應變。

第6–8章：勻速圓周運動與萬有引力；功、能量與能源；線動量與碰撞

向心力、科氏力、萬有引力與克卜勒定律；功、功能定理、保守力與非保守力、能量守恆、功率、人體中的能量以及世界能源消耗；動量、衝量、一維和二維碰撞以及火箭推進。

第9–10章：靜力學與力矩；轉動與角動量

把平衡的兩個條件應用於穩定性、簡單機械以及肌肉和關節；透過與直線運動類比建立轉動運動學和動力學，進而討論轉動慣量、角動量和陀螺效應。

第11–12章：流體靜力學；流體動力學及其在生物學和醫學中的應用

密度、壓力、帕斯卡原理與阿基米德原理、表面張力以及人體內的壓力；流量、白努利方程、黏滯性與帕醉定律、亂流、擴散與滲透，血流是貫穿其中的例子。

第13–15章：溫度、氣體動力論與氣體定律；熱與傳熱方式；熱力學

溫度、熱膨脹、理想氣體定律、氣體動力論、相變和溼度；熱容、潛熱以及傳導、對流和輻射；熱力學第一定律、熱機、卡諾熱機、熱泵和熵，最後給出第二定律的統計解釋。

第16–17章：振動與波；聽覺物理學

虎克定律、簡諧運動、單擺、阻尼、共振、波與疊加；隨後是聲速與聲強、都卜勒效應、空氣柱中的駐波、聽覺以及醫用超音波。

第18–21章：電荷與電場；電位與電場；電流、電阻與歐姆定律；電路與直流儀表

電荷、庫侖定律、電場與電場線、生物體中的電力；電位差、等位線與電容器；電流、歐姆定律、電功率、交流電、觸電危險與神經傳導；電阻網路、電動勢、克希荷夫定律、電錶和RC電路。

第22–24章：磁學；電磁感應、交流電路與電氣技術；電磁波

作用在運動電荷和電流上的磁力、霍爾效應、電動機以及電流產生的磁場；法拉第定律與冷次定律、發電機、變壓器、用電安全、電感和RLC電路；用文字表述的馬克士威方程組、電磁波的產生、電磁波譜以及波的能量。

第25–27章：幾何光學；視覺與光學儀器；波動光學

反射、折射、全反射、色散與成像；眼睛、視力矯正、色覺、顯微鏡、望遠鏡和像差；干涉、繞射、解析度、薄膜和偏振。

第28–30章：狹義相對論；量子物理；原子物理

愛因斯坦的假設、時間膨脹、長度收縮、相對論動量與能量；黑體輻射、光電效應、光子、物質波與不確定性原理；原子的發現、波耳模型、X射線、雷射、量子數與包立不相容原理。

第31–32章：放射性與核物理；核物理的醫學應用

放射性、探測器、核衰變、半衰期、結合能與穿隧效應；醫學成像、電離輻射的生物效應、放射治療、食品輻照、核融合、核分裂與核武器。

第33–34章：粒子物理；物理學前沿

交換粒子、四種基本相互作用、加速器、夸克和大統一理論；隨後概覽宇宙學、廣義相對論、超弦、暗物質、混沌、高溫超導體以及尚未解決的問題。

核心概念

第1–10章：力學

• 向量分量：把運動和力分解為相互獨立的垂直分量，這是處理拋體運動的方法基礎。
• 自由體圖：畫出作用於系統的全部外力，是運用牛頓第二定律的出發點。
• 能量守恆與動量守恆：無需逐步追蹤各個力即可得出結果的原理。
• 力矩與平衡：平衡的第二個條件，用於結構和人體。

第11–17章：流體、熱、振動與聲

• 白努利方程：流動流體的能量守恆，把壓力、速度和高度聯繫起來。
• 氣體動力論：用分子運動解釋壓力和溫度。
• 熱力學第二定律：透過熵來表述熱機效率的上限。
• 共振：以固有頻率驅動系統時出現的大幅響應。

第18–27章：電、磁與光

• 電位：單位電荷的位能，以電壓來測量。
• 克希荷夫定律：把電荷守恆和能量守恆應用於電路的節點和迴路。
• 電磁感應：變化的磁通量會感應出電動勢。
• 干涉與繞射：顯示光的波動性的現象。

第28–34章：現代物理

• 時間膨脹：對於看到時鐘在運動的觀察者來說，運動的時鐘走得較慢。
• 光子：能量與頻率成正比的光量子。
• 半衰期：放射性樣品衰變掉一半所需的時間。

評析

優點

• 結構固定的例題。 全書共有289道編號例題。正如序言所說明的，每道例題先用文字提出問題，再用「策略」部分說明所涉及的概念，然後給出解答並討論結果。
• 多樣的練習。 除概念問題和常規習題外，各章還有綜合多個主題的綜合概念題、前提會導致荒謬答案並要求找出原因的「不合理結果」題、沒有唯一答案的自編題，以及本版新增的多步驟批判性思維題。書末答案收錄奇數號習題。
• 生物學和醫學應用寫進正文。 肌肉與關節、人體內的壓力、血流、神經傳導與心電圖、聽覺與超音波、視力矯正，以及專講核物理醫學應用的一整章，都是正式的小節。序言說明，由於這門課的許多學生將來要學醫，本版擴充了這些內容。
• 輔助欄目。 有糾正常見誤解的「誤解提醒」、可以在家完成的動手探究、PhET模擬的連結，以及在正式講授現代物理之前就用原子層面的過程解釋日常現象的「大與小」專欄。

局限

• 有意不用微積分。 需要微積分的結果只給出結論而不推導；正文在講電容器充電曲線和必歐-沙伐定律時就是這樣說明的。馬克士威方程組只用文字表述，高斯定律也沒有獨立的小節，因此日後學習基於微積分的課程時，電磁學的許多內容需要重新建立。
• 篇幅很長。 約1,650頁的內容超過兩個學期所能講完的量。
• 最後幾章較單薄。 第33–34章對統一理論、超弦和宇宙學各只用幾節，屬於概覽而非可用的工具。
• 沒有數學複習。 本書假定讀者掌握代數和一些三角學，附錄收錄的是資料而不是數學複習。

在課程中的定位

在這份大學物理入門書單中，College Physics 2e 是一部完整的基於代數的教材。它介於把數學降到最低的休伊特 Conceptual Physics 與基於微積分的綜合教材之間，後者包括楊的 University Physics、哈里德的 Fundamentals of Physics、蒂普勒與莫斯卡的 Physics for Scientists and Engineers，以及瑟韋與朱厄特的 Principles of Physics。如果課程以代數為基礎，例如許多面向生命科學和醫學預科學生的課程，就適合選用本書；日後修讀基於微積分課程的讀者，可以藉助那些教材補上本書省略的推導。

克萊普納與科倫科的 An Introduction to Mechanics（一本要求很高、基於微積分的力學教材）、The Feynman Lectures on Physics（以概念為主線的第二遍學習），以及納迪格、霍涅克與賴利的 200 Puzzling Physics Problems（注重物理洞察的難題集），最好留到用本書這類教材學完第一遍之後再讀。

如何使用本書

本書適合基於代數的兩學期課程，也適合具備高中代數和一些三角學基礎的自學者。常見的安排是第一學期學第1–17章，第二學期學第18–30章。

• 核心： 第2–4章、第6–8章、第15章、第16章和第18–23章。
• 依科系選擇： 生命科學科系的學生從9.6節、11.9節以及第12、17、20、26、32章中獲益最多；第5章和第21章適合偏向工程的讀者。拓展專題（4.8節、27.9節）可以略讀。
• 現代物理： 第28–31章構成一個簡短單元；第33–34章作為概覽閱讀。

學習每一節時，先讀學習目標，遮住解答自己做例題，再對照章末小結檢查。概念問題與計算題搭配練習，並且每章至少做一道「不合理結果」題：能看出一個答案為什麼不可能成立，是考試會考到的能力。奇數號習題可以在書末答案中核對；序言提到 Student Solution Guide 給出部分習題的詳細解答。學習場和波時可以藉助PhET模擬。

版本與來源

本指南依據 OpenStax 出版的 College Physics 2e 官方免費PDF（第二版，2022年首次出版，CC BY-NC-SA 4.0 許可），網址為 https://openstax.org/details/books/college-physics-2e。閱讀範圍包括序言、完整目錄、各章引言和章末逐節小結、書末答案，以及部分小節（包括講馬克士威方程組的24.1節）。