物理學基礎

引用

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2021). Fundamentals of Physics (11th ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-98483-3

章節概要

第1章 - 測量

介紹測量在物理學中的作用、SI單位、量綱分析、單位轉換和有效數字。

第2章 - 直線運動

涵蓋位移、速度、加速度、等加速運動和自由落體運動。

第3章 - 向量

解釋向量加法、分量、單位向量和向量乘法。

第4章 - 二維和三維運動

研究拋射體運動、等速圓周運動和相對運動。

第5章 - 力與運動I

介紹牛頓運動定律、力和質量；探討牛頓第二定律的應用。

第6章 - 力與運動II

檢驗摩擦力、阻力、等速圓周運動和終端速度。

第7章 - 動能與功

發展功能定理、功率和變力做功。

第8章 - 位能與能量守恆

介紹保守力、位能、機械能守恆和能量圖。

第9章 - 質心與線動量

探索質心、動量、衝量、碰撞和火箭。

第10章 - 轉動

涵蓋轉動運動學、角加速度、轉動能、扭矩和轉動慣量。

第11章 - 滾動、扭矩與角動量

介紹滾動運動、角動量守恆、陀螺進動和轉動動力學。

第12章 - 平衡與彈性

分析靜力平衡條件以及應力、應變和彈性概念。

第13章 - 重力

展示牛頓重力定律、行星運動、衛星和愛因斯坦對牛頓重力的修正。

第14章 - 流體

涵蓋密度、壓力、帕斯卡原理、阿基米德原理和白努利方程式。

第15章 - 振動

探索簡諧運動、振動中的能量、擺、阻尼和共振。

第16章 - 波I

介紹波的性質、行波、干涉和駐波。

第17章 - 波II（聲音）

檢驗聲波、強度、拍頻、都卜勒效應和震波。

第18章 - 溫度、熱和熱力學第一定律

定義溫度、熱膨脹、傳熱和熱力學第一定律。

第19章 - 氣體動理論

將溫度與分子運動、速率分布和比熱聯繫起來。

第20章 - 熵和熱力學第二定律

探索熵、熱機、製冷機和熱力學的統計觀點。

第21章 - 庫侖定律

介紹電荷、量子化、電荷守恆和庫侖定律。

第22章 - 電場

討論電場線、電荷和偶極子的電場以及場中電荷受力。

第23章 - 高斯定律

將高斯定律應用於對稱電荷分布和電通量。

第24章 - 電位

介紹位能、電位差、等位面和電位計算。

第25章 - 電容

涵蓋電容器、串並聯電容、電介質和能量儲存。

第26章 - 電流與電阻

解釋電流、電阻、歐姆定律、電阻率和超導性。

第27章 - 電路

分析單迴路和多迴路電路、克希荷夫定律、RC電路和儀錶。

第28章 - 磁場

介紹磁場、勞倫茲力、迴旋加速器和載流線圈上的扭矩。

第29章 - 電流產生的磁場

涵蓋畢奧-沙伐定律、安培定律以及螺線管和載流線圈的磁場。

第30章 - 感應與電感

討論法拉第定律、楞次定律、電感器、互感和磁場中的能量。

第31章 - 電磁振盪與交流電路

涵蓋LC振盪、交流電路、共振、變壓器和交流電功率。

第32章 - 馬克士威方程組與物質的磁性

用馬克士威方程組統一電磁學，介紹抗磁性、順磁性和鐵磁性。

第33章 - 電磁波

推導電磁波性質、偏振、反射、折射和輻射壓力。

第34章 - 像

解釋反射鏡、透鏡、光學儀器和成像。

第35章 - 干涉

研究雙縫干涉、薄膜干涉和邁克生干涉儀。

第36章 - 繞射

涵蓋單縫繞射、繞射光柵、解析度和X射線繞射。

第37章 - 相對論

展示愛因斯坦的狹義相對論：同時性、時間膨脹、長度收縮和勞倫茲變換。

第38章 - 光子和物質波

介紹光子、光電效應、康普頓散射、波粒二象性和量子開端。

第39章 - 更多物質波

探索薛丁格方程式、穿隧、氫原子和電子束縛。

第40章 - 原子面面觀

涵蓋原子性質、史特恩-葛拉赫實驗、包立不相容原理和雷射。

第41章 - 固體中的電傳導

解釋金屬、半導體、pn結和電晶體的電學性質。

第42章 - 核物理

討論核結構、放射性衰變、核模型和輻射劑量。

第43章 - 來自原子核的能量

探索核分裂、反應器、恆星中的核融合和受控融合。

第44章 - 夸克、輕子和大爆炸

介紹粒子物理學、守恆定律、夸克模型、基本相互作用和宇宙學。

附錄

提供常數、單位制、轉換因子、數學公式和參考數據。

核心概念

測量和數學工具

• 物理測量中的精度、準確度和不確定性。
• SI單位、量綱分析和單位轉換。
• 向量、向量加法和座標系作為基本工具。

力學

• 一維、二維和三維運動學；等加速運動。
• 牛頓三大運動定律及其應用。
• 功、能量和能量守恆。
• 線動量、衝量、碰撞和守恆原理。
• 轉動、扭矩、角動量和平衡。
• 重力和行星運動，包括牛頓定律和相對論修正。

振動和波

• 簡諧運動、擺、阻尼和共振。
• 波的性質：速度、頻率、波長、疊加和駐波。
• 聲波、強度、拍頻、都卜勒效應和震波。

熱力學

• 溫度和熱作為分子運動的表現。
• 傳熱機制：傳導、對流和輻射。
• 氣體動理論、速率分布和比熱。
• 熱力學定律、熵以及熱機和製冷機的效率。

電磁學

• 電荷、庫侖定律、電場和高斯定律。
• 電位、電容器和介電效應。
• 電流、電阻、電路和克希荷夫定律。
• 磁場、電荷和電流受力、畢奧-沙伐定律和安培定律。
• 電磁感應、法拉第定律、電感器和交流電路。
• 統一電和磁的馬克士威方程組。

光學

• 光的電磁波性質。
• 反射、折射、透鏡和光學儀器。
• 干涉和繞射現象，包括雙縫實驗和繞射光柵。
• 偏振及其在光學技術中的應用。

相對論

• 愛因斯坦的狹義相對論：假設、勞倫茲變換、時間膨脹和長度收縮。
• 相對論動量、能量和質能等價（E = mc²）。

量子和原子物理

• 光的光子理論、光電效應和康普頓散射。
• 物質波、薛丁格方程式、穿隧和氫原子結構。
• 原子模型、量子數和包立不相容原理。
• 固體性質：傳導、半導體和電晶體物理學。

核和粒子物理

• 核結構、衰變過程和輻射。
• 核分裂、融合和能量產生。
• 基本粒子：夸克、輕子、守恆定律和相互作用。
• 大爆炸宇宙學和宇宙演化。

批判性分析

教材優勢

• 全面覆蓋：涵蓋整個本科物理課程，從力學到現代物理。
• 教學方法：清晰的解釋、詳細的例題和按難度分級的習題集。
• 問題解決重點：大量強調定量練習，為學生應對考試和應用做準備。
• 現代主題整合：在經典內容基礎上包括相對論、量子物理、粒子物理和宇宙學。
• 持久性和權威性：作為全球物理教育標準參考的既定聲譽。

局限性和挑戰

• 數學嚴謹性：需要札實的代數和微積分技能；對數學準備不足的學生可能令人生畏。
• 篇幅和密度：大部頭和詳細處理可能讓初學者感到overwhelm。
• 概念空隙：優先考慮問題解決而非概念討論；相比Hewitt的《概念物理》等教材，較少強調直覺。
• 文化可及性：例子和背景有時以美國為中心。

在課程中的地位

• 主要本科教材：廣泛用於理科和工科專業基於微積分的物理入門課程。
• 高級課程準備：為上級力學、電磁學和量子力學課程提供必要的數學和物理基礎。
• 參考作用：即使在完成課程後，仍作為習題集、詳細例題和物理復習的長期資源。

總體評價

《物理學基礎》仍然是最具影響力和廣泛採用的物理教科書之一。其優勢在於全面性、邏輯結構和實踐重點。雖然對一些學生來說可能令人生畏，但作為大學物理入門的教學和參考教材，在範圍和可靠性方面無與倫比。

現實應用和實例

力學

• 牛頓定律應用於車輛安全（安全帶、安全氣囊）和結構工程。
• 拋射體運動用於體育、彈道學和衛星發射。
• 轉動動力學對渦輪機、飛輪和陀螺導航至關重要。
• 重力應用於軌道力學、太空探索和GPS技術。

振動和波

• 橋樑、建築和樂器中的共振。
• 地震學中用於研究地震的波原理。
• 都卜勒效應應用於雷達、天文學和醫學成像。

熱力學

• 熱機和製冷機作為發電廠和家用電器的模型。
• 熵概念應用於可再生能源系統的效率極限。
• 使用大氣和海洋熱力學的氣候建模。

電磁學

• 電路作為電子學和電氣工程的基礎。
• 發電和變壓器中的電磁感應。
• 醫學中的磁共振成像（MRI）。
• 馬克士威方程組應用於無線通信技術。

光學

• 相機、望遠鏡、顯微鏡和矯正鏡片中的透鏡系統。
• 光譜學和光學儀器中的干涉和繞射。
• 太陽鏡、攝影和液晶顯示器中的偏振。

相對論

• GPS衛星同步必需的狹義相對論修正。
• 使用相對論動力學設計的高能粒子加速器。
• 廣義相對論應用於天體物理學、黑洞研究和重力波探測。

量子和原子物理

• 形成太陽能電池基礎的光電效應。
• 半導體器件和核融合中的量子穿隧。
• 通信、醫學和工業雷射技術。

核和粒子物理

• 基於分裂和放射性衰變的核電廠和醫用同位素。
• 融合研究（如ITER）旨在可持續能源解決方案。
• 推進基礎科學和技術的粒子物理實驗（CERN、費米實驗室）。
• 塑造我們對宇宙起源和演化理解的大爆炸宇宙學。