01 / 導讀
導讀
引用
Chabay, R. W., & Sherwood, B. A. (2015). Matter and Interactions, Volume 1: Modern Mechanics (4th ed.). Wiley.
章節概要
第四版第1卷包括序言、12章，以及各章檢查點和奇數題的答案。三個簡短的補充材料（氣體與熱機、半導體元件、波）不在本卷中，而是放在出版社網站上。講述電與磁交互作用的第2卷從第13章接續編號。
第1章：Interactions and Motion
本章引入運動的向量描述，把速度當作向量處理，並開始貫穿全書的動量計算。章末習題包含使用相對論因子的動量計算，因此高速運動從第一章起就是課程的一部分。
第2章：The Momentum Principle
動量原理是本書核心原理中的第一個。本章講解如何以小時間步長預測運動：計算力，更新動量，再更新位置；並把這種迭代方法與合力恆定時可得的解析解對照。習題中有自由落體問題和速度對時間的影像。
第3章：The Fundamental Interactions
本章介紹為動量原理提供力的基本交互作用，位置在原理本身與隨後更貼近日常的接觸力之間。
第4章：Contact Interactions
本章討論物體接觸時產生的力。這是較長的一章，其後部的一節（4.14）建立了大氣的恆密度模型。
第5章：Determining Forces from Motion
這裡推理方向反過來：由觀察到的運動推斷合力。習題包括繩子懸掛的物體、方塊之間的摩擦、受力圖，以及合力指向圓心的圓周運動。
第6章：The Energy Principle
本卷核心的第二個原理。本章後部處理逃逸速度和軌道，用到萬有引力常數，習題以焦耳為單位給出功和能量。
第7章：Internal Energy
把能量從整個物體的運動擴展到儲存在物質內部的能量，為本卷末尾的熱學內容做準備。
第8章：Energy Quantization
介紹原子體系的量子化能級；習題答案以電子伏給出。
第9章：Translational, Rotational, and Vibrational Energy
把能量分為平動、轉動和振動部分。本章在較早的一節（9.2）引入轉動慣量，並用於轉動能。
第10–11章：Collisions；Angular Momentum
碰撞一章把守恆原理用於交互作用的物體，包括一維情形。第三個原理——角動量——在第11章講述，並配有轉動和角速度的習題。使用第五版的讀者應注意，該版把角動量原理移到了碰撞之前。
第12章：Entropy: Limits on the Possible
本卷以熵結束，副標題把它表述為對「可能之事」的限制。本章還涉及比熱等材料的熱學性質。
核心概念
第1–5章：運動與力
- 動量原理：作用在系統上的合力決定其動量變化的快慢。
- 基本交互作用：解釋後續各章所用力的基本交互作用。
- 接觸交互作用：接觸物體之間的力，有專門一章講述。
第6–9章：能量
- 能量原理：系統能量的變化等於周圍環境對它所做的功。
- 內能：儲存在物質內部的能量。
- 能量量子化：原子體系的能級。
第10–12章：碰撞、轉動、熵
- 碰撞：通過守恆量來分析的交互作用。
- 角動量：與動量原理對應的轉動量。
- 熵：最後一章的主題，被表述為對可能之事的限制。
評析
優點
- 按原理組織。 章名圍繞動量原理、能量原理和角動量展開。出版社把它描述為強調少數基本原理及由此產生的模型的教材，目錄也體現了這一點。
- 從一開始就用計算。 按時間步長預測運動在第2章就已出現；作者網站提供用VPython寫的演示程式和VPython入門影片，所以計算建模是課程的一部分，而不是附加內容。
- 力學課中的原子與現代物理。 內能、能量量子化和熵都在同一卷中，相對論動量出現在第1章習題裡。出版社把這種對20世紀物理的整合作為設計目標。
- 配套材料。 作者網站連結了Ruth Chabay 2019年的力學講課影片，其中包括VPython教學；書中還有檢查點及其答案和奇數題答案。
侷限
- 順序不同於常規。 目錄中沒有把運動學、振動或引力作為獨立章節，它們被併入按原理組織的各章。沿用傳統教學大綱的課程需要自行對照話題與章節。
- 勘誤。 作者為第四版維護了一份很長的勘誤表，涉及第2章的例題和許多習題答案。依賴書中印刷的答案前請先核對。
- 版本差異。 第五版（2025年，增加兩位作者）調整了章節順序，頁碼和章節引用不能通用。
- 入門層次的上限。 本卷止於入門層次；拉格朗日和哈密頓方法不在其目錄中。
在課程中的定位
在力學課程書單中，本書是一年級教材：一門使用微積分的入門課程，通過動量原理和簡單程式來理解守恆原理。它應排在Taylor的《Classical Mechanics》之前（後者是中級課程，以更嚴謹的數學處理牛頓力學，再講拉格朗日和哈密頓方法），也在David Morin的《Introduction to Classical Mechanics》之前（一本習題豐富的本科教材）。
Susskind與Hrabovsky的《The Theoretical Minimum》是適合自學的簡明講座式替代讀物，很快從牛頓定律講到拉格朗日和哈密頓的思想。Goldstein的《Classical Mechanics》是研究生層次的處理。Smits的流體力學教材以及書單中的工程材料力學著作討論可變形介質，這是本卷不涉及的。
如何使用本書
本書面向開始學習使用微積分的物理課程的物理、工程及其他理科學生。所說的預備知識是中學物理和微分學入門課程（或同時修讀微積分）。
實用的閱讀計劃：
- 核心： 按順序讀第1–6章。它們建立向量、動量原理、力和能量原理，之後每一章都依賴這些內容。
- 接著： 讀講述物質、量子化和轉動的第7–9章；然後是第10–11章，注意上文關於版本的說明。
- 收尾： 第12章講熵，為本卷提供熱學方面的結尾。
- 同時： 編寫或執行與第2章及後面能量各章對應的VPython程式，閱讀時使用檢查點，並把解答與勘誤表核對。