物理學原理

引用

Serway, R. A., & Jewett, J. W., Jr. (2013). Principles of Physics: A Calculus-Based Text (5th ed.). Cengage Learning.

章節概要

第五版共31章，另有開篇的「物理學邀請」、附錄，以及貫穿各章的九個「情境」（Context），每個情境用一個真實世界的案例串起若干章。每個情境有開篇部分和結語，把相關各章的物理與該主題聯絡起來。全書約1,200頁。

物理學邀請；第1章：引言與向量

對本學科的簡短導引，隨後是單位、量綱分析、座標系和向量。第1章還介紹了貫穿全書例題的「通用解題策略」（General Problem-Solving Strategy）。

情境1與第2–7章：替代燃料汽車

一維運動；二維運動；運動定律；運動定律的更多應用；系統的能量；能量守恆。力學的核心部分，從運動學和牛頓定律講到功、動能與勢能以及能量守恆，背景情境是替代燃料汽車。該情境的結語題為「現狀與未來的可能性」。

情境2與第8–11章：火星任務

動量與碰撞；相對論；轉動；引力、行星軌道與氫原子。狹義相對論被放在力學中間，是對近代物理的早期介紹。隨後是轉動與引力，並把氫原子與行星軌道聯絡起來。結語是「一個成功的任務計劃」。

情境3與第12–14章：地震

振動；機械波；疊加與駐波。振動、波的傳播與干涉。結語是「把風險降到最低」。

情境4與第15章：心臟病發作

流體力學，這一章自成一個情境，是本版新增的。結語題為「心臟病發作」。

情境5與第16–18章：全球變暖

溫度與氣體動理論；熱過程中的能量：熱力學第一定律；熱機、熵與熱力學第二定律。結語是「預測地球表面溫度」。

情境6與第19–21章：閃電

電力與電場；電位與電容；電流與直流電路。結語是「確定閃電的次數」。

情境7與第22–23章：醫學中的磁

磁力與磁場；法拉第定律與電感。該情境是第五版新增的，以「核磁振與磁振成像」結束。

情境8與第24–27章：雷射

電磁波；光的反射與折射；鏡與透鏡成像；波動光學。結語是「用雷射記錄和讀取數字資訊」。

情境9與第28–31章：宇宙的聯絡

量子物理；原子物理；核物理；粒子物理。最後一個情境以「問題與展望」結束。

附錄

A. 數表；B. 數學複習；C. 元素週期表；D. 國際單位制；以及隨堂小測和奇數號習題的答案。

核心概念

第1–11章：力學

• 通用解題策略：第1章介紹的一套固定步驟，用於例題。
• 系統的能量與能量守恆：第6–7章的重點。
• 動量與碰撞：在轉動和引力之前應用的守恆。
• 狹義相對論：在力學序列中講授的近代物理主題。

第12–18章：波、流體與熱力學

• 振動與疊加：從簡單振子引向波的干涉和駐波。
• 氣體動理論與熵：溫度的微觀影像和第二定律。

第19–27章：電、磁與光學

• 電場與電位：第19–20章，連同電容。
• 法拉第定律與電感：第23章。
• 反射、折射與波動光學：第25–27章。

第28–31章：近代物理

• 量子物理與原子結構：第28–29章。
• 核物理與粒子物理：第30–31章。

評析

優點

• 簡明的微積分基礎課程。 Cengage介紹說，本書用簡明的方式處理傳統主題，較早引入近代物理，並在全書貫穿當代話題。它的31章從力學講到粒子物理，章數比本書單中最大的幾本教材少。
• 情境中的物理。 九個情境為各部分提供了有吸引力的主題，從汽車、地震到雷射和宇宙學；其中兩個（心臟病發作、醫學中的磁）是本版新增的，習題和例題中還增加了更多生命科學方面的應用。
• 有方法的例題。 例題重新編排為雙欄格式，把概念性解釋放在數學推導旁邊，儘可能用符號求解，遵循通用解題策略，約三分之一的例題帶有「What If?」（如果……會怎樣？）延伸。
• 有結構的習題集。 全書約有2,000道習題，分為三種標明的難度，三分之二按小節對應，其餘標為「Additional Problems」（附加習題）。書末有奇數號習題的答案，隨堂小測（Quick Quizzes）讓讀者在各章內立即檢查理解。

侷限

• 簡明意味著有所取捨。 與書單中那些龐大的百科式教材相比，各主題的處理更精簡，近代物理的章節（28–31）對量子、原子、核和粒子物理各只有一章。
• 內容有時效性。 2013年版的更新內容，例如大型強子對撞機實驗的狀況和2011年3月的日本核災難，反映的是當時的情況，不會涵蓋後來的進展。
• 更依賴線上資源。 Cengage的解題輔導（「Master It」）、解題影片（「Watch It」）以及評分作業都透過Enhanced WebAssign提供，與紙本書分開。

在課程中的定位

Principles of Physics是本書單中幾部基於微積分的普通物理教材之一，同類的還有Fundamentals of Physics、Physics for Scientists and Engineers和University Physics。它在這幾本中較為簡明，適合希望用較少篇幅學完標準主題的課程，而且因較早引入相對論和以情境為線索的編排而帶有近代物理的色彩。其他三本有41至44章，而本書是31章。

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是免費的代數基礎課程。想在力學上更深入，Kleppner與Kolenkow的An Introduction to Mechanics是要求較高的微積分基礎教材；200 Puzzling Physics Problems是附提示和完整解答的習題集；The Feynman Lectures on Physics則以概念為主線，對許多相同的主題提供另一種敘述。

如何使用本書

本書適合修讀為期一年、基於微積分的普通物理課程的理工科學生，以及受益於書中醫學和生物學例子的生命科學專業學生。書中假定讀者具備代數、三角學和微積分知識；附錄B複習所用的數學。

一個可行的閱讀方案：

• **核心：**第1–8章和第10–11章（力學）、第12–15章（振動、波與流體）、第16–18章的熱力學序列、第19–23章（電與磁）以及第24–27章（電磁波與光學）。
• **近代物理：**第9章（相對論）可以與力學一起學，也可以推遲到最後；第28–31章完成整個序列。
• **情境：**把各情境的引言和結語當作一個主題來讀；如果課程有自己的順序，也可以跳過。

每章從隨堂小測開始，把通用解題策略用到例題上，並自己嘗試「What If?」的變式。利用三個難度級別從簡單題逐步過渡到有挑戰性的題，並對照奇數號答案檢查。