概念物理學

引用

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

章節概要

全書共36章，分為八個部分，後附五個簡短的附錄。各章內部的小節有編號，每個部分末尾設有一套選擇題形式的練習測驗。

第1章：關於科學

開篇的短章，講述科學是什麼：測量、科學方法，以及事實、假說、定律和理論各自有何不同。本章還把科學與藝術、宗教並置討論，並把物理學作為其他各門科學的基礎。

第一部分，第2–10章：力學

篇幅最長的一部分，依次是《牛頓第一運動定律：慣性》和《直線運動》，接著是《牛頓第二運動定律：力與加速度》和《牛頓第三運動定律：作用與反作用》。之後轉入《動量》與《能量》（衝量、守恆、功能關係、效率）、《轉動》（力矩、角動量）、《引力》（萬有引力、潮汐、黑洞）以及《拋體與衛星運動》（軌跡、軌道、逃逸速度）。

第二部分，第11–14章：物質的性質

《物質的原子本性》介紹原子、同位素、反物質和暗物質。隨後的《固體》《液體》《氣體與等離子體》討論密度、彈性、壓強、浮力、表面張力以及物質的第四態。

第三部分，第15–18章：熱

《溫度、熱與膨脹》和《熱傳遞》（傳導、對流、輻射，溫室效應與氣候變化）之後是《相變》（蒸發、沸騰、熔化）和《熱力學》，後者陳述熱力學第一、第二定律並引入熵。

第四部分，第19–21章：聲

《振動與波》涉及單擺、波速、干涉和都卜勒效應。《聲音》與《樂音》繼續討論共振、拍、響度、音調、音色、樂器和傅立葉分析。

第五部分，第22–25章：電與磁

《靜電學》（電荷、庫侖定律、電場、遮蔽、電位）、《電流》（電阻、歐姆定律、電路、功率）、《磁》（磁場、磁疇、電磁鐵、地磁場）和《電磁感應》（法拉第定律、發電機、變壓器、輸電）。

第六部分，第26–31章：光

《光的性質》把光作為電磁波來處理，並討論透明性。隨後是《顏色》（加色與減色混合、散射、彩虹）、《反射與折射》和《光波》（衍射、干涉、偏振、全息術）。《光的發射》涉及光譜、白熾、熒光和雷射，《光量子》則涉及光電效應、波粒二象性和不確定性原理。

第七部分，第32–34章：原子物理與核物理

《原子與量子》從波耳模型講到量子力學和希格斯玻色子。《原子核與放射性》涉及半衰期、探測器、嬗變和測年方法。《核裂變與核聚變》討論反應爐、質能等價以及受控聚變的嘗試。

第八部分，第35–36章：相對論

《狹義相對論》從邁克生–莫雷實驗和基本假設出發，講到時間膨脹、長度收縮、相對論動量和E = mc²。《廣義相對論》涉及等效原理、光線彎曲、引力紅移、時空彎曲和引力波。

附錄

A. 測量體系；B. 關於運動的補充；C. 作圖；D. 關於向量的補充；E. 指數增長與倍增時間。它們提供正文所依賴的最基本的數學支援。

核心概念

第1章：關於科學

• 科學方法：以觀察、假說和檢驗來核實科學論斷的方式。
• 事實、假說、定律、理論：這些術語在科學中各自扮演的不同角色。

第2–10章：力學

• 慣性與合力：只有合力作用時運動才會改變，改變的程度取決於質量。
• 作用與反作用：力總是成對的相互作用。
• 動量與能量守恆：孤立系統中保持不變的量，使人無需追蹤每個細節就能預測結果。
• 力矩與角動量：力和動量在轉動中的對應量。
• 引力與軌道：同一條平方反比定律，解釋落體、潮汐和衛星。

第11–18章：物質與熱

• 密度、壓強、浮力：固體、液體和氣體由其原子構成所決定的宏觀性質。
• 熱傳遞：傳導、對流和輻射這三種熱能傳遞途徑。
• 熵與第二定律：自然過程進行的方向。

第19–25章：波、電與磁

• 疊加與共振：波可以疊加，受迫系統在固有頻率附近響應強烈。
• 電荷、場、電位：描述電相互作用的基本詞彙，在電流與電路各章中進一步擴充。
• 感應：變化的磁場產生電場，是發電機和變壓器的基礎。

第26–36章：光、原子與相對論

• 波粒二象性：光既表現出波動行為，也表現出粒子行為。
• 半衰期：放射性樣品衰變一半所需的特徵時間。
• 時間膨脹與長度收縮：光速不變的後果。
• 時空彎曲：廣義相對論對引力的解釋。

評析

優點

• 通向整個物理學的概念之路。 書中沿用Pearson所說的Hewitt在舊金山城市學院首創的概念式教學法，先講觀念，數學保持在較輕的程度。關於作圖、向量和指數增長的附錄提供了正文所需的輔助數學。
• 內建的自我檢測。 正文中穿插「Check Yourself」和「Check Your Answer」欄目，「Practicing Physics」欄目把一章的觀念變成小型活動，章末材料中有「Conceptual Ranking」排序練習。每個部分末尾還有一套選擇題練習測驗。
• 覆蓋面廣。 一冊之內從牛頓定律講到廣義相對論，讀者可以看到力學、熱學、波、電磁學和近代物理如何相互聯絡。
• 較新的應用素材。 據出版社介紹，本版更新了數位技術、環境和能源方面的內容，並加入連結到作者影片示範的QR Code。

侷限

• 不能作為定量課程的預備。 本書在設計上是概念性的。將來要讀工程或物理專業的學生，需要用微積分版教材做解題訓練；本書給予的是詞彙和直覺，而不是解題技巧。
• 後面主題篇幅簡短。 量子物理、核物理和相對論各佔一到三章，足以講清主要觀念，但不足以進行計算。
• 部分附加內容依賴線上存取。 QR Code背後的影片示範和Mastering作業與紙本正文是分開的。

在課程中的定位

在本課程書單的入門物理書目中，Hewitt最為平易，對數學的要求也最低。OpenStax的College Physics是免費的代數基礎課程，增加了定量解題，適合有代數和一些三角學基礎的學生。Fundamentals of Physics、Physics for Scientists and Engineers、Principles of Physics和University Physics都是面向理工科學生的微積分基礎教材，習題量大得多；在讀這些書之前先讀Hewitt中相應的章節，可以預先建立直覺，也可以檢驗自己在公式出現之前是否已經理解了觀念。

希望獲得概念深度而非解題技巧的讀者，可以讀The Feynman Lectures on Physics，它是一部以概念為主線的入門著作，透過物理論證和思想實驗討論許多相同的主題；已學完一門基礎課程的讀者可以用200 Puzzling Physics Problems，這是一本附有提示和完整解答的習題集。Kleppner與Kolenkow的An Introduction to Mechanics則是隻講力學、要求較高的微積分基礎教材。

如何使用本書

本書面向需要對物理學形成整體印象而非技術性準備的學生，例如通識課程的學生，也適合想在微積分基礎課程之前先建立直覺的人。不需要微積分，附錄涵蓋了所需的那一點數學。

一個可行的閱讀方案：

• **核心：**第1–10章（科學與力學）是其餘一切內容的基礎，按順序閱讀；牛頓定律的幾章是層層遞進的。
• **然後按興趣或課程選擇：**力學和能量學完之後，熱、聲、電與磁、光這幾個部分彼此基本獨立。
• **選讀：**第七、八部分（原子與核物理、相對論）可以作為最後的巡禮，在熟悉前面各部分之後單獨閱讀。

先自己回答「Check Yourself」的問題再看答案，嘗試「Practicing Physics」的活動，並用各部分末尾的練習測驗找出薄弱之處。準備進入微積分基礎課程的學生，讀完每一部分後可以對照上述教材的相應章節繼續學習。