概念物理學

引用

Hewitt, P. G. (2017). Conceptual Physics (12th ed.). Pearson India Education Services. ISBN 978-9352861774

章節概要

第一章 - 關於科學

介紹科學的本質、測量和科學方法；探索科學、藝術和宗教之間的聯繫，確立物理學作為所有科學基礎的地位。

第一部分：力學（第2-10章）

• 牛頓運動定律：慣性、線性運動、力和加速度、作用和反作用。
• 動量和能量：衝量、動量守恆、功能定理、效率。
• 旋轉運動與重力：扭矩、角動量、萬有引力、潮汐和黑洞。
• 拋射體和衛星運動：拋物線軌跡、軌道、克卜勒定律和逃逸速度。

第二部分：物質性質（第11-14章）

• 物質的原子性質：原子、同位素、反物質、暗物質。
• 固體、液體和氣體：密度、彈性、壓力、浮力、表面張力和電漿。

第三部分：熱（第15-18章）

• 溫度與熱：比熱、熱膨脹和水的異常性質。
• 熱傳遞：傳導、對流、輻射、溫室效應、氣候變遷。
• 相變與熱力學：蒸發、沸騰、熔化、第一和第二定律、熵。

第四部分：聲音（第19-21章）

• 振動與波：擺、波速、干涉、都卜勒效應。
• 聲音：聲波性質、共振、拍頻、響度。
• 音樂聲音：音調、音質、樂器、傅立葉分析。

第五部分：電磁（第22-25章）

• 靜電學：電荷、庫倫定律、電場、屏蔽、電位。
• 電流：電阻、歐姆定律、電路、功率。
• 磁性：磁場、磁區、電磁鐵、地磁場。
• 電磁感應：法拉第定律、發電機、變壓器、電力傳輸。

第六部分：光（第26-31章）

• 光的性質：電磁波、透明度、反射、折射。
• 顏色：相加和相減混合、散射、彩虹。
• 波動性質：繞射、干涉、偏振、全像術。
• 發射與量子：光譜、白熾、螢光、雷射。
• 量子方面：光電效應、波粒二象性、不確定性原理。

第七部分：原子與核物理（第32-34章）

• 原子結構：波耳模型、量子力學、希格斯玻色子。
• 核物理：放射性、半衰期、探測器、蛻變、年代測定方法。
• 分裂與融合：反應爐、質能等價、受控融合。

第八部分：相對論（第35-36章）

• 狹義相對論：邁克森-莫里實驗、假設、時間膨脹、長度收縮、相對論動量、E = mc²。
• 廣義相對論：等價原理、光線彎曲、重力紅移、時空曲率、重力波。

附錄

提供測量、單位換算、運動、繪圖、向量和指數成長的複習材料，以及奇數題答案、詞彙表和索引。

核心概念

科學的本質

• 科學作為基於觀察、實驗和邏輯推理的探索方法。
• 區分事實、假說、定律和理論。
• 科學與藝術、哲學和日常生活的相互聯繫。

力學

• 牛頓三大運動定律作為動力學基礎。
• 動量、能量和角動量的守恆原理。
• 拋射體運動、圓周運動和萬有引力。
• 力、扭矩和平衡在日常環境中的作用。

物質性質

• 物質的原子結構及其對物理性質的影響。
• 密度、彈性、壓力和浮力作為微觀相互作用的巨觀效應。
• 物質狀態，包括電漿和奇異形式。

熱和熱力學

• 溫度作為分子運動的度量。
• 熱傳遞方法：傳導、對流和輻射。
• 熱力學定律、熵及其對自然過程的影響。
• 氣候和環境物理應用（溫室效應、全球暖化）。

波和聲音

• 振動作為波動現象的來源。
• 波的性質：頻率、波長、振幅、速度。
• 疊加、干涉、共振和都卜勒效應。
• 聲音和音樂音調的特徵。

電磁

• 電荷、電場和電位。
• 電流、電阻、電路和能量傳遞。
• 磁場、力和感應。
• 電和磁統一為電磁學。

光和光學

• 光的波粒二象性。
• 反射、折射、繞射和偏振。
• 顏色感知和光譜分析。
• 光的量子性質，包括光電效應和不確定性原理。

原子與核物理

• 原子和次原子粒子的量子模型。
• 放射性、半衰期和核反應。
• 質能等價及其在分裂和融合中的應用。

相對論

• 狹義相對論：光速不變、時間膨脹、長度收縮、E = mc²。
• 廣義相對論：時空曲率、等價原理和重力波。

批判性分析

教材優勢

• 易理解性：使用簡明語言、類比和現實例子，使物理學對非專業學生變得易理解。
• 概念強調：優先考慮理解而非數學，確保學生在學習方程式之前掌握基本思想。
• 視覺教學：豐富的插圖、漫畫和圖表支持直覺學習。
• 主題廣度：涵蓋從力學到相對論的內容，在單冊中提供物理學的廣泛概覽。

局限性和挑戰

• 數學深度有限：最少的代數，幾乎沒有微積分；不足以為高級或工程物理做準備。
• 表面處理：量子力學和相對論等複雜主題被簡化，可能遺漏關鍵細節。
• 美國中心的例子：一些類比和背景對國際讀者可能不太相關。

在課程中的地位

• 入門水平：最適合高中或大學非理科專業學生，或作為基於微積分物理之前的預備教材。
• 通識教育：常用於「詩人物理學」或文科課程，培養科學素養。
• 橋樑作用：提供概念基礎，支持後續過渡到基於代數或微積分的物理課程。

總體評價

Hewitt的《概念物理學》是物理教育的開創性教材，塑造了該學科對非專業人士的教學方式。其對思想而非方程式的關注使物理學變得民主化，培養直覺和對學科的欣賞。雖然不適合作為追求高級學習學生的唯一教科書，但作為入門點和建立科學素養的手段表現出色。

現實應用和實例

日常力學

• 通過牛頓定律和動量守恆解釋為什麼安全帶和安全氣囊能挽救生命。
• 通過體育（籃球弧線、足球踢球）和太空發射說明拋射體運動。
• 將旋轉動力學應用於自行車、遊樂場設備和遊樂園設施。

物質性質

• 密度和浮力原理應用於船舶設計、潛艇和熱氣球。
• 彈性和材料強度概念與建築和地震工程相關。
• 電漿物理與霓虹燈和融合研究相關。

熱和能量

• 用熱力學解釋絕緣、烹飪和製冷等家庭現象。
• 通過熱傳遞、溫室效應和熵考慮構建氣候科學框架。
• 效率和節能與引擎、電器和永續技術相關。

波、聲音和音樂

• 解釋音樂廳聲學、耳機噪音消除和樂器調音。
• 展示雷達、醫學影像和天文學中的都卜勒效應。

電磁

• 通過電磁感應解釋發電和輸電。
• 智慧手機、信用卡和MRI機器等日常技術植根於電磁學。
• 電路、保險絲和接地的家庭安全。

光和現代物理

• 光學應用於眼鏡、相機、光纖和望遠鏡。
• 藝術、顯示器和大氣光學（彩虹、日落）中的顏色感知。
• 與太陽能電池、LED和雷射相關的量子現象。

原子、核和相對論

• 醫學影像、放射治療和核能背後的核物理。
• 發電廠和ITER等研究設施中的分裂和融合。
• 相對論應用於GPS衛星、宇宙學和重力波探測。