01 / 導讀
導讀
引用
Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2021). Fundamentals of Physics, Extended (12th ed.). John Wiley & Sons.
章節概要
擴充版共44章，約1,500頁。它還分成兩卷：第1–20章（力學、波與熱力學）和第21–44章（電磁學、光學與近代物理）。每章分為帶編號的模組（例如1.1 測量事物，包括長度），章末有「Review & Summary」（回顧與小結）、思考題和習題。
第1–3章：測量；沿直線的運動；向量
全書從國際單位制、鏈式單位換算和有效數字開始，然後描述直線運動：位置、速度、加速度、勻加速運動、自由落體和圖解積分。第3章介紹向量、分量、單位向量以及向量的乘積。
第4章：二維和三維運動
多維情形下的位置、位移、速度和加速度，包括拋體運動、勻速圓周運動，以及一維和二維的相對運動。
第5–6章：力與運動（一）；力與運動（二）
牛頓三定律及其應用，隨後是摩擦、阻力與終端速度，以及作為動力學問題的勻速圓周運動。
第7–8章：動能與功；勢能與能量守恆
重力的功、彈簧力的功、一般變力的功以及功率。第8章展開勢能、機械能守恆、勢能曲線、外力對系統做的功以及能量守恆。
第9–11章：質心與線動量；轉動；滾動、力矩與角動量
質點系、動量、衝量、一維和二維碰撞以及火箭。轉動一章隨後對角量、轉動慣量和力矩重複同樣的思路；第11章討論滾動、悠悠球、角動量及其守恆，以及陀螺儀的進動。
第12–14章：平衡與彈性；引力；流體
靜平衡與彈性；牛頓萬有引力定律、地球表面附近和地球內部的引力、引力勢能、克卜勒定律、衛星，以及結尾一節「愛因斯坦與引力」；流體靜力學與動力學（壓強、帕斯卡原理和阿基米德原理、連續性方程、白努利方程）。
第15–17章：振動；波（一）；波（二）
簡諧運動、能量、單擺、阻尼和受迫振動；弦上的橫波、波動方程、干涉、相量和駐波；聲波、強度、拍、都卜勒效應和衝擊波。
第18–20章：溫度、熱與熱力學第一定律；氣體動理論；熵與熱力學第二定律
溫標、熱膨脹、吸熱、第一定律和傳熱機制；氣體動理論，包括方均根速率、平均自由程、分子速率分佈和絕熱膨脹；以及熵，連同熱機、冷凍機和熵的統計觀點。
第21–25章：庫侖定律；電場；高斯定律；電位；電容
按慣常順序講授靜電學：電荷、電場（包括偶極子）、通量與高斯定律、電位，以及電容器和介電質。
第26–27章：電流與電阻；電路
電流、電流密度、電阻和歐姆定律，隨後是單迴路和多回路電路、安培計和伏特計以及RC電路。
第28–32章：磁場；電流產生的磁場；感應與電感；電磁振盪與交流電；馬克士威方程式；物質的磁性
磁力與霍爾效應、迴旋加速器和載流線圈所受力矩；磁場的來源與安培定律；法拉第定律、冷次定律和電感；LC與RLC電路及變壓器；以及馬克士威方程式、位移電流和物質的磁性行為。
第33–36章：電磁波；成像；干涉；衍射
電磁波、偏振、反射與折射；鏡、透鏡和光學儀器成像；干涉，包括楊氏實驗、薄膜和邁克生干涉儀；以及狹縫、圓孔和光柵的衍射，最後以X射線衍射結束。
第37章：相對論
同時性與時間膨脹、長度的相對性、勞侖茲變換、速度的相對性、光的都卜勒效應，以及動量與能量。
第38–40章：光子與物質波；關於物質波的更多內容；關於原子的一切
光子與光電效應、物質波、薛丁格方程式、不確定性原理和穿隧；被束縛的電子、波函數和氫原子；以及原子的性質、史登–革拉赫實驗、磁振、元素週期表和雷射。
第41–44章：固體中的導電；核物理；來自原子核的能量；夸克、輕子與大爆炸
金屬和半導體的電學性質以及p–n結；核的性質、衰變方式、測年和輻射劑量；裂變、反應爐和聚變；以及粒子、夸克、信使粒子和宇宙學。
核心概念
第1–14章：力學
- 牛頓定律的應用：第5–6章把三條定律變成求解力學問題的方法。
- 能量與動量守恆：第8–9章的核心工具，在第10–11章中推廣到轉動。
- 力矩與角動量：力和線動量在轉動中的對應量。
- 克卜勒定律與引力勢能：第13章的軌道結論。
第15–20章：波與熱力學
- 簡諧運動與共振：基本的振子模型及其受迫響應。
- 干涉與駐波：疊加原理在弦和聲音上的應用。
- 第一與第二定律：熱的能量守恆，以及作為不可逆程度度量的熵。
第21–32章：電磁學
- 高斯定律：把穿過閉合曲面的通量與曲面內的電荷聯絡起來。
- 法拉第定律：變化的磁通量感應出電動勢。
- 位移電流與馬克士威方程式：使場的方程完備的補充。
第33–44章：光學與近代物理
- 干涉與衍射：光具有波動性的波動光學證據。
- 勞侖茲變換：狹義相對論中不同觀察者座標之間的關係。
- 物質波與薛丁格方程式：原子、穿隧和固體行為的基礎。
- 放射性衰變與裂變：第42–43章的核過程。
評析
優點
- 清晰的模組化結構。 每章分成若干模組，每個模組以學習目標和要點開頭；出版社還列出每個模組的「檢查點」、例題，以及每章末尾的回顧與小結。讀者可以逐個模組學習，並隨時檢查進度。
- 一部書覆蓋面廣。 擴充版從測量講到宇宙學，因此無需第二本教材就能支撐完整的兩到三個學期的微積分基礎課程。
- 豐富的習題。 Wiley稱第12版新增近300道章末習題，以及若干基於真實情境的研究性習題，例如船隻在航道中吃水變深，或打者瞬間失去視覺。
- 內容較新。 出版社列出了關於首張黑洞影像和引力波探測的新討論、醫學成像與放射治療的例子，以及關於自動駕駛汽車的例題。
侷限
- 篇幅。 約1,500頁，遠超大多數課程所能涵蓋的內容。教師需要選章，學生則可能難以分辨哪些部分是必學的。
- 需要微積分。 圖解積分早在第2章就出現，一般變力的功在第7章，所以學生需要在課程中同時熟悉微積分。
- 互動練習另行提供。 Wiley所介紹的練習、模擬和影片屬於WileyPLUS，與紙本教材分開銷售。
- 近代物理較快。 近代物理的章節（37–44）用八章講完相對論、量子物理、原子核和粒子，是概覽而非完整的課程。
在課程中的定位
在本書單的入門物理書籍中，Fundamentals of Physics是幾部完整的、基於微積分的兩到三學期教材之一，面向理工科學生；Physics for Scientists and Engineers、Principles of Physics和University Physics屬於同一類，選擇哪一本主要取決於對講解風格、習題集和教師課程安排的偏好。它的模組結構和大量習題，適合想用一本書作為整個課程式列參考的學生。若想先輕鬆地過一遍，Hewitt的Conceptual Physics幾乎不用數學就講清觀念，OpenStax的College Physics則是免費的代數基礎課程。
想在某一領域更深入的讀者，Kleppner與Kolenkow的An Introduction to Mechanics是要求較高的、基於微積分的力學教材，200 Puzzling Physics Problems是附提示和解答的習題集，The Feynman Lectures on Physics則以概念為主線，對許多相同主題提供另一種講法。
如何使用本書
本書適合修讀基於微積分的普通物理課程的學生，尤其是理工科學生。書中假定讀者具備代數、三角學和微積分入門知識。
一個可行的閱讀方案：
- **第一學期的核心：**按課程進度依次學習第1–20章。力學（1–11）是後面一切的基礎，不要跳過第5–9章。
- **第二學期：**第21–36章。靜電學（21–25）先於電路與磁學（26–32），然後是光學（33–36）。
- **第三學期或自學：**第37–44章，涉及相對論、量子物理、原子、固體、原子核和粒子。
- **初讀時可以跳過：**一些章末模組，如13.8（愛因斯坦與引力）或34.6（三個證明），它們是對核心內容的延伸而非構建。
在每個模組中，先讀學習目標，再讀要點，先嚐試檢查點，再看例題。用章末的回顧與小結複習，並從奇數題開始做章末習題，因為書末印有奇數題的答案。