01 / 導讀
導讀
引用
Moebs, W., Ling, S. J., & Sanny, J. (2016). University Physics Volume 3. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3
章節概要
第1章：光的本質
第一單元「光學」以第二冊的馬克士威方程組為基礎，從「光是什麼、光如何行為」這兩個問題入手。本章討論光速與折射率、光線模型、反射定律、折射與司乃耳定律、全反射（包括光纖）、色散、作為通往波動光學橋樑的惠更斯原理，以及包含馬呂斯定律與布魯斯特角在內的偏振。
第2章：幾何光學與成像
本章藉由光線圖以及面鏡與薄透鏡公式，說明平面鏡與球面鏡、單一折射面與薄透鏡所成的像，並留意像差問題。接著把這些概念應用於人眼與視力矯正、相機、簡單放大鏡，以及顯微鏡與望遠鏡。
第3章：干涉
本章從肥皂泡的色彩談起，介紹楊氏雙狹縫實驗以及建設性與破壞性干涉的數學、多狹縫干涉、伴隨反射相位變化的薄膜干涉，以及邁克生干涉儀。
第4章：繞射
本章內容包括單狹縫繞射及其強度（以相量計算）、雙狹縫的綜合圖樣、繞射光柵、圓孔與瑞立解析判據、晶體的 X 射線繞射以及全像術；本章以帕松亮點開場。
第5章：相對論
第二單元「近代物理」從狹義相對論開始，以 GPS 所需的修正作為動機。本章陳述愛因斯坦的兩項假設，推導同時的相對性、時間膨脹（包括緲子壽命與雙生子弔詭）、長度收縮、搭配時空圖與不變間隔的勞侖茲轉換、相對論速度轉換、光的都卜勒效應，以及相對論動量與能量。
第6章：光子與物質波
本章追溯早期量子概念：黑體輻射與普朗克能量子、光電效應、康普頓效應、波耳氫原子模型、德布羅意物質波（以電子顯微鏡為引例），以及波粒二象性。
第7章：量子力學
波函數與玻恩的機率詮釋、歸一化與期望值、海森堡測不準原理、薛丁格方程式，以及三個標準應用——盒中粒子、量子諧振子與位障穿隧——構成這個入門章節；本章以量子電腦處理器開場。
第8章：原子結構
本章把量子力學應用於氫原子及其量子數、軌道磁偶極矩與電子自旋、包立不相容原理與週期表、原子光譜與 X 射線，以及雷射。
第9章：凝態物理
本章把量子概念推廣到分子與固體：離子鍵與共價鍵、分子的轉動與振動光譜、晶體中的鍵結、金屬的自由電子模型與費米能、能帶理論、半導體與摻雜、二極體與電晶體等元件，以及以庫柏對為基礎的超導性。
第10章：核物理
本章討論原子核的性質、結合能與質量虧損、放射性衰變與定年、核反應、核分裂、核融合（如太陽中的融合），以及核輻射的醫學應用與生物效應。
第11章：粒子物理與宇宙論
最後一章把最小與最大的尺度連結起來：基本粒子的分類、粒子反應中的守恆律、夸克、加速器與偵測器（如大型強子對撞機的 ATLAS）、標準模型，以及從大霹靂到早期宇宙演化的宇宙論，包括宇宙微波背景輻射、暗物質與暗能量。
核心概念
第1章：光的本質
- 司乃耳定律：入射角、折射角與兩種介質折射率之間的關係。
- 全反射：光由光密介質射向界面且入射角超過臨界角時發生的完全反射。
- 偏振：光的電場方向，可被偏振片與反射改變。
第2章：幾何光學與成像
- 薄透鏡與面鏡公式：聯繫物距、像距與焦距的關係式，搭配光線追跡決定像的位置。
- 放大率：像與物大小之比，在顯微鏡與望遠鏡中由各透鏡的放大率組合而成。
第3章：干涉
- 建設性與破壞性干涉：依路徑差與波長的關係，波彼此增強或互相抵消。
- 薄膜干涉：由薄膜兩個表面的反射所產生的色彩，包括反射時的相位變化。
第4章：繞射
- 單狹縫暗紋：縫寬與繞射角正弦之積等於波長整數倍處出現的暗紋。
- 瑞立判據：圓孔能解析兩個點光源的最小角間距。
第5章：相對論
- 狹義相對論假設：物理定律與光速在所有慣性座標系中都相同。
- 時間膨脹與長度收縮：運動中的時鐘變慢，運動中的物體沿運動方向縮短。
- 相對論能量：總能量包含靜止能量 mc²，將質量與能量連結起來。
第6章：光子與物質波
- 光子：能量為 hf 的光量子，可解釋光電效應。
- 德布羅意波長：與任何動量為 p 的粒子相關聯的波長 h/p。
第7章：量子力學
- 波函數與機率：波函數絕對值的平方給出找到粒子的機率密度。
- 海森堡測不準原理：位置與動量無法同時以任意精度得知。
- 量子穿隧：粒子穿過高於其能量之位障的非零機率。
第8章：原子結構
- 量子數：決定原子中電子狀態的 n、l、m 與自旋。
- 包立不相容原理：原子中任兩個電子不能擁有完全相同的量子數，這解釋了週期表。
第9章：凝態物理
- 能帶：固體中電子可具有的能量範圍，能隙區分了導體、半導體與絕緣體。
- 摻雜：在半導體中加入雜質以形成 n 型或 p 型材料。
第10章：核物理
- 結合能：相當於原子核質量虧損的能量，說明為何核分裂與核融合會釋放能量。
- 放射性衰變定律：樣品以半衰期為特徵的指數衰減。
第11章：粒子物理與宇宙論
- 標準模型：關於夸克、輕子與傳遞作用力之玻色子的理論。
- 大霹靂宇宙論：宇宙由高溫高密度的早期狀態演化而來並持續膨脹的模型。
評析
優點
- 一冊涵蓋廣泛的近代物理。 在四章光學之後，本冊依序講述相對論、早期量子論、量子力學、原子、凝態、原子核與粒子，最後到宇宙論，一本免費教材即可涵蓋一整學期的近代物理。
- 以入門教材而言，相對論的處理相當細緻。 第5章推導勞侖茲轉換，引入時空圖與不變間隔，並討論雙生子弔詭以及緲子壽命、GPS 修正等實驗驗證，而不只是列出時間膨脹公式。
- 包含實際計算的量子力學。 第7章將波函數歸一化、計算期望值，並求解盒中粒子與諧振子，為學生提供可以實際運用的起點，而非純粹的描述性介紹。
- 系列一貫的教學設計。 例題採用「策略、解答、意義」的格式（依 PDF 統計約有 110 道例題與 75 道「檢驗理解」問題），每章最後都有關鍵詞、關鍵方程式、分節摘要與分級習題。
局限
- 相對論只占一章。 沒有四維向量，沒有系統地運用時空幾何，廣義相對論也只是順帶一提；需要概念性或幾何化講解的學生必須另找專書。
- 量子主題停留在入門深度。 氫原子只透過結果來介紹，而沒有在球座標中完整求解（內文自己也說明這留待更進階的課程），算符、自旋形式體系與微擾理論都沒有展開。
- 節奏不均。 第9–11章各以數十頁概述凝態、核物理、粒子物理與宇宙論等龐大領域，因此以描述為主。
- 光學與近代物理合為一冊。 只講近代物理的課程會略過前四章；光學課程則會發現，除了 8.6 節之外沒有傅立葉光學或雷射物理的內容。
在課程中的定位
University Physics Volume 3 是與 Taylor 和 Wheeler 的 Spacetime Physics 並列的、使用微積分的近代物理概論。兩者相輔相成：本冊涵蓋整個近代物理、只用一章講相對論，而 Spacetime Physics 專講狹義相對論，以間隔與世界線為基礎。學生可以先讀本書第5章，再轉向 Spacetime Physics 深入學習。Krane 的 Modern Physics 以及 Thornton、Rex 與 Hood 的 Modern Physics for Scientists and Engineers 作為完整的近代物理教科書，是從本書第5–11章更上一層樓的自然選擇。
Schutz 的 A First Course in General Relativity 與 Carroll 的 Spacetime and Geometry 是廣義相對論教科書；本冊只提供它們所預設的狹義相對論背景，應在接觸它們之前很早就讀完。
如何使用本書
本書適用於以微積分為基礎之物理課程的第三學期，在力學與電磁學（第一、二冊或同等內容）之後研讀；第7章要求熟悉微分方程式，至少能解簡單的二階方程式。對於近代物理與相對論課程，先讀第5章，再把第6–8章當作量子物理的核心，第9–11章則依課程重點作為概論閱讀。第1–4章服務於光學單元，在近代物理課程中可以省略，不過談干涉與繞射的第3–4章有助於理解第6章的物質波。
每道例題之後完成「檢驗理解」問題，並利用各章的關鍵方程式整理複習。對於講得較簡略的主題——廣義相對論、氫原子的求解、標準模型——可把本書的介紹當作入門指引，再到課程書單中更完整的近代物理教科書深入學習。
版本與來源
本導讀依據自 OpenStax 官方頁面 https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3 下載的 University Physics Volume 3 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 11 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、核對了第5章的特定主題。