01 / 導讀
導讀
引用
Moebs, W., Ling, S. J., & Sanny, J. (2016). University Physics Volume 2. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2
章節概要
第1章：溫度與熱
第一單元「熱力學」從溫度與熱平衡（熱力學第零定律）、溫度計與溫標以及熱膨脹談起，接著討論熱量、比熱與量熱、伴隨潛熱的相變，以及熱傳的三種機制——傳導、對流與輻射。
第2章：氣體動力論
本章從理想氣體定律（以及用於真實氣體的凡得瓦方程式）出發，建立分子模型，以分子運動與均方根速率解釋壓力與溫度；由能量均分定理推導熱容量，並介紹馬克士威—波茲曼分子速率分布。
第3章：熱力學第一定律
本章定義熱力學系統、膨脹氣體所做的功、熱與內能，並陳述第一定律；分析等溫、等壓、等容與絕熱過程，以及理想氣體的定容與定壓熱容量。
第4章：熱力學第二定律
由可逆與不可逆過程引出熱機、冷凍機與熱泵、第二定律的克耳文敘述與克勞修斯敘述，以及作為效率最高循環的卡諾循環。接著從巨觀角度引入熵，最後一節則從微觀（統計）角度討論熵。
第5章：電荷與電場
第二單元「電與磁」從電荷、導體與絕緣體、感應起電與庫侖定律開始。本章定義電場，以積分計算連續電荷分布的電場，並介紹電力線與電偶極。
第6章：高斯定律
由穿過開放曲面與封閉曲面的電通量引出高斯定律，並用它求出具有球對稱、柱對稱與平面對稱之電荷分布的電場。本章最後討論處於靜電平衡之導體的性質。
第7章：電位
本章定義電位能與電位，計算點電荷與連續分布的電位，再透過微分由電位求出電場。等位面、導體以及靜電學的應用（如范德格拉夫起電機與靜電影印）為本章作結；本章以閃電所釋放的能量開場。
第8章：電容
本章討論常見幾何形狀電容器的電容、串聯與並聯、儲存在電場中的能量，以及介電質的作用，包括介電極化的分子模型。
第9章：電流與電阻
本章定義電流與電流密度，介紹以漂移速度為基礎的金屬導電模型，接著討論電阻率及其溫度相依性、歐姆定律、電能與電功率以及超導體，並以磁振造影儀中的電磁鐵作為引子。
第10章：直流電路
本章內容包括電動勢與內電阻、電阻的串聯與並聯、克希荷夫定則、安培計與伏特計、RC 電路的充電與放電，以及家庭配線與用電安全。
第11章：磁力與磁場
在簡要介紹磁學的歷史之後，本章討論運動電荷所受的磁力、帶電粒子在磁場中的運動、載流導線所受的力、電流迴路所受的力矩與磁偶極矩、霍爾效應，以及質譜儀與迴旋加速器等應用。
第12章：磁場的來源
以必歐—沙伐定律（直導線、電流迴路）與安培定律（螺線管與螺線環）求出電流所產生的磁場，推導平行電流之間的作用力，最後討論物質的磁性：順磁性、反磁性與鐵磁性。
第13章：電磁感應
本章包括法拉第定律與冷次定律、動生電動勢、感應電場、渦電流、發電機與反電動勢，以及電磁感應的應用（從讀卡機到無線充電），藉此引入隨時間變化的場。
第14章：電感
本章討論互感與自感、儲存在磁場中的能量、RL 電路、作為彈簧振子電學類比的 LC 電路振盪，以及 RLC 串聯電路。
第15章：交流電路
本章藉由相量分析交流電路中的電阻、電容與電感，RLC 串聯電路的阻抗，平均功率與功率因數，共振，以及變壓器在輸電中的角色。
第16章：電磁波
本冊以包含位移電流的馬克士威方程組作結，說明它如何預言電磁波。本章描述平面波、電磁波所攜帶的能量與強度、動量與輻射壓（以彗星的彗尾為例），以及電磁波譜。
核心概念
第1章：溫度與熱
- 熱力學第零定律：分別與第三個系統達成熱平衡的兩個系統彼此也處於熱平衡，這使溫度得以量測。
- 比熱與潛熱：使單位質量物體溫度改變所需的能量，以及在溫度不變下改變其相態所需的能量。
第2章：氣體動力論
- 理想氣體定律：pV = nRT，從微觀上可由分子與器壁的碰撞加以解釋。
- 能量均分定理：每個二次自由度平均分得 ½kT 的能量，由此可預測熱容量。
第3章：熱力學第一定律
- 第一定律：內能的變化等於吸收的熱減去系統對外所做的功。
- 絕熱過程：與外界沒有熱交換的過程，理想氣體在此過程中 pV^γ 維持不變。
第4章：熱力學第二定律
- 卡諾效率：在兩個熱庫之間運作的任何熱機的最高效率 1 − T_c/T_h。
- 熵：孤立系統中總量永不減少的狀態函數，從微觀上可理解為可達微觀狀態數的度量。
第5章：電荷與電場
- 庫侖定律：點電荷之間的作用力與電荷乘積成正比，與距離平方成反比。
- 電場：單位電荷所受的力，對連續分布須以積分求得。
第6章：高斯定律
- 電通量：電場的曲面積分。
- 高斯定律：穿過封閉曲面的電通量等於其內部電荷除以 ε₀。
第7章：電位
- 電位：單位電荷的電位能，電位差即為電壓。
- 由電位求電場：電場等於電位梯度的負值。
第8章：電容
- 電容：每單位電位差所儲存的電荷，由幾何形狀與材料決定。
- 介電質：藉由極化而增加電容的絕緣材料。
第9章：電流與電阻
- 漂移速度：構成電流的傳導電子緩慢的平均速度。
- 歐姆定律與電阻率：在歐姆材料中電流與電壓成正比，電阻由電阻率與幾何形狀決定。
第10章：直流電路
- 克希荷夫定則：節點處的電荷守恆，以及沿迴路一周的能量守恆。
- RC 時間常數：決定電容器充放電快慢的乘積 RC。
第11章：磁力與磁場
- 運動電荷所受的磁力：F = qv × B，與速度及磁場皆垂直。
- 霍爾效應：磁場中載流導體兩側出現的橫向電壓，可用來判斷載子類型。
第12章：磁場的來源
- 必歐—沙伐定律：給出小電流元所產生之磁場的定律。
- 安培定律：B 沿封閉路徑的線積分等於 μ₀ 乘以所包圍的電流。
第13章：電磁感應
- 法拉第定律：變化的磁通量會感應出電動勢。
- 冷次定律：感應電流的方向總是抗拒造成它的磁通量變化。
第14章：電感
- 自感：元件本身電流變化在該元件中感應出的電動勢。
- LC 振盪：能量以自然角頻率 1/√(LC) 在電容器與電感器之間來回轉換。
第15章：交流電路
- 電抗與阻抗：電容與電感對電流隨頻率變化的阻礙，以及在 RLC 電路中與電阻的合成。
- 共振：驅動頻率等於電路自然頻率時電流達到最大。
第16章：電磁波
- 位移電流：馬克士威補上的項，顯示變化的電場會產生磁場。
- 輻射壓：電磁波因攜帶動量而施加的壓力。
評析
優點
- 以微積分為基礎但容易入門。 連續電荷分布的電場、電位與必歐—沙伐定律都透過循序漸進的例題以積分求出，每道例題都遵循「策略、解答、意義」的格式；依 PDF 統計，書中約有 160 道例題與 120 多道「檢驗理解」問題。
- 清楚的單元結構。 熱力學（第1–4章）與電磁學（第5–16章）是各自獨立的單元，電磁學依照從電荷與電場、電位、電路、磁學、電磁感應再到馬克士威方程組的合理順序展開。
- 應用融入內文。 各章開場與各節涉及閃電、磁振造影磁體、家庭配線與安全、硬碟、讀卡機、無線充電、以變壓器輸電，以及彗星所受的輻射壓，把抽象定律與熟悉的技術連結起來。
- 完善的章末支援。 每章複習部分列出關鍵詞、關鍵方程式與逐節摘要，接著是觀念題、習題、補充習題與挑戰題，解答部分提供奇數題的答案。
局限
- 沒有以向量分析表述電磁學。 馬克士威方程組以積分形式呈現，不使用散度與旋度，因此沒有微分形式、邊界值問題，也沒有更深入的電磁學教科書意義下的位勢討論。
- 與熱力學同在一冊。 對電磁學課程而言前四章無關，而電磁學內容雖然涵蓋面廣，深度仍停留在入門程度。
- 對介質中的場討論有限。 介電質與磁性材料各只有一節（8.5 節與 12.7 節），沒有討論 D 場與 H 場意義下的束縛電荷與束縛電流。
- 只有答案而無解法。 解答部分只提供奇數題的最終答案，自學的學生需要藉助其他資料檢查解題方法。
在課程中的定位
University Physics Volume 2 是使用微積分的電磁學概論教科書。Fleisch 的 A Student's Guide to Maxwell's Equations 根據其介紹專注於講解馬克士威方程組本身；它引入了 OpenStax 教材所省略的微分形式，可補充本書第6、12、13 與 16 章。Purcell 與 Morin 的 Electricity and Magnetism 則是以向量分析更深入探討相同主題的自然下一步。
Griffiths 的 Introduction to Electrodynamics、Jackson 的 Classical Electrodynamics 與 Bittencourt 的 Fundamentals of Plasma Physics 是面向高年級大學部學生與研究生的教科書。學生在挑戰 Griffiths 之前，應先讀完本書第5–16章（或相當的第一門課），並掌握向量分析，Jackson 與 Bittencourt 則更在其後。本書最好在這些教科書之前使用，而不能取代它們。
如何使用本書
本書的對象是以微積分為基礎之物理課程第二學期的學生，他們已讀完力學（第一冊或同等內容）並熟悉單變數微積分；從第6章起，若熟悉曲面積分與線積分會有幫助。電磁學課程應依序閱讀第5–16章：第5–7章（電場、高斯定律、電位）與第11–13章（磁力、磁場的來源、電磁感應）是核心，第8–10章與第14–15章討論電路元件與電路，第16章則以馬克士威方程組統整一切。第1–4章服務於熱力學單元，在電磁學課程中可以略過。
把關於高斯定律、安培定律與克希荷夫定則的「解題策略」專欄當作檢查清單，每道例題之後完成「檢驗理解」問題，並在進入下一節之前做完該節習題。若課程接著要讀 Griffiths 或 Purcell，建議把第16章與介紹馬克士威方程組微分形式的資料搭配閱讀。
版本與來源
本導讀依據自 OpenStax 官方頁面 https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2 下載的 University Physics Volume 2 免費 PDF（2016 年首次出版；現行 PDF © 2026 Rice University，採 CC BY-NC-SA 4.0 授權；主要作者為 William Moebs、Samuel J. Ling 與 Jeff Sanny）。本導讀參考了序言、完整目錄，以及全部 16 章的開場圖片與引言、各節大綱與章末摘要，並統計了例題數量、核對了特定主題。