物理學原理

引用

Tipler, P. A., & Mosca, G. (2007). Physics for Scientists and Engineers, Extended Version (6th ed.). W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-8964-2

章節概要

第1章 – 測量和向量

介紹物理學本質、單位、量綱分析、有效數字和向量。為描述物理量提供數學基礎。

第2章 – 一維運動

涵蓋位移、速度、加速度和等加速運動。介紹問題解決策略，以線性加速器為應用實例。

第3章 – 二維和三維運動

討論拋射體運動、圓周運動，以及位移、速度和加速度的向量方法。將運動分析應用於導航和GPS。

第4章 – 牛頓定律

提出牛頓三大運動定律、自由體圖，以及涉及重力、接觸力和張力等力的應用。

第5章 – 牛頓定律的其他應用

探索摩擦力、阻力、沿曲線路徑的運動、質心和數值積分方法。

第6章 – 功和動能

介紹功、動能、功能定理，以及在曲線運動和質心系統中的應用。

第7章 – 能量守恆

討論位能、機械能守恆和能量量子化。介紹質能等價性。

第8章 – 線動量守恆

涵蓋動量守恆、碰撞、火箭推進，以及脈衝爆震引擎等應用。

第9章 – 轉動

解釋角速度、角加速度、轉動動能和轉動慣量。將牛頓第二定律應用於轉動系統。

第10章 – 角動量

分析轉矩、角動量守恆和轉動系統中的量子化。

R章 – 狹義相對論

介紹愛因斯坦假設、時間膨脹、長度收縮、同時性、相對論動量和能量。

第11章 – 萬有引力

涵蓋克卜勒定律、牛頓萬有引力定律、重力位能和場。討論重力透鏡作為應用。

第12章 – 靜力平衡與彈性

探索平衡條件、重心、穩定性、應力和應變。

第13章 – 流體

介紹密度、壓力、浮力、流體動力學，以及空氣動力學應用。

第14章 – 振盪

涵蓋簡諧運動、振盪中的能量、阻尼、共振和實際振盪系統。

第15章 – 行波

解釋波動、週期波、三維波、屏障和都卜勒效應。

第16章 – 疊加與駐波

分析波的疊加、駐波、共振和聲學應用。

第17章 – 溫度和氣體動理論

介紹溫標、理想氣體定律和動理論。連接微觀和宏觀描述。

第18章 – 熱和熱力學第一定律

討論熱容、相變、焦耳實驗、內能和PV圖。

第19章 – 熱力學第二定律

提出熱機、冷凍機、卡諾循環、熵和熱力學的統計解釋。

第20章 – 熱性質和過程

探索熱膨脹、范德瓦爾斯氣體、相圖和傳熱機制。

第21章 – 電場I：離散電荷分布

涵蓋庫侖定律、點電荷的電場和電場線。

第22章 – 電場II：連續電荷分布

解釋高斯定律、使用對稱性的場計算和導體性質。

第23章 – 電位

討論電位能、等電位面和電位計算。

第24章 – 電容

解釋電容器、儲能和介電材料。

第25章 – 電流和直流電路

涵蓋電流、電阻、歐姆定律、電路分析和RC電路。

第26章 – 磁場

探索電荷和電流上的磁力、轉矩和霍爾效應。

第27章 – 磁場的源

介紹畢奧-薩伐爾定律、安培定律和物質中的磁性。

第28章 – 磁感應

涵蓋法拉第定律、楞次定律、感生電動勢、電感和超導體。

第29章 – 交流電路

討論交流電路、相量圖、RLC電路、變壓器和電網。

第30章 – 馬克士威方程式和電磁波

通過馬克士威方程式統一電和磁，並推導電磁波方程式。

第31章 – 光的性質

分析光的波動和粒子性質、反射、折射、偏振和光譜。

第32章 – 光學成像

涵蓋面鏡、透鏡、光學儀器和像差。

第33章 – 干涉和繞射

討論相干性、薄膜干涉、繞射和全像術。

第34章 – 波粒二象性與量子物理

介紹光子、物質波、量子化和盒中粒子模型。

第35章 – 薛丁格方程式的應用

涵蓋位勢井、諧振子、穿隧和類氫原子。

第36章 – 原子

探索波耳模型、原子量子理論、自旋軌道耦合和原子光譜。

第37章 – 分子

介紹分子鍵合、雙原子分子和分子光譜。

第38章 – 固體

涵蓋晶體結構、傳導、能帶理論、半導體和超導性。

第39章 – 相對論

用勞侖茲變換、速度疊加、相對論能量和廣義相對論重新討論愛因斯坦理論。

第40章 – 核物理

解釋核性質、放射性、核反應、裂變和聚變。

第41章 – 基本粒子與宇宙

涵蓋夸克、輕子、守恆定律、標準模型和宇宙學。

附錄

提供SI單位、轉換因子、數值資料、週期表、數學教學和精選解答。

核心概念

物理學基礎

• 物理學作為基於測量、模型和實驗的自然定量研究。
• 單位、量綱分析和向量在描述物理系統中的作用。

力學

• 運動學：一維、二維和三維運動。
• 動力學：牛頓運動定律、力和自由體圖。
• 功、能量和機械能守恆。
• 動量、衝量、碰撞和火箭推進。
• 轉動運動：轉矩、角動量和轉動動力學。
• 萬有引力：牛頓定律、克卜勒定律和相對論修正。

相對論

• 狹義相對論：假設、時間膨脹、長度收縮、同時性、相對論能量和動量。
• 廣義相對論（入門概念）：重力時間膨脹、時空彎曲。

平衡、流體和彈性

• 靜力平衡條件和結構穩定性。
• 材料中的應力、應變和彈性。
• 流體靜力學：浮力、帕斯卡原理和阿基米德定律。
• 流體動力學：白努利方程式、黏性和紊流。

振盪和波

• 簡諧運動、阻尼和共振。
• 行波和駐波、干涉和拍頻。
• 聲波、強度、都卜勒效應和聲學。

熱力學

• 氣體動理論和溫度的分子解釋。
• 傳熱：傳導、對流和輻射。
• 熱力學第一定律：熱過程中的能量守恆。
• 熱力學第二定律：熵、卡諾循環和不可逆性。

電和磁

• 靜電學：庫侖定律、電場、高斯定律和電位。
• 電容、介電材料和儲能。
• 電流、電阻、歐姆定律、電路和RC暫態。
• 磁學：磁場、力、畢奧-薩伐爾定律、安培定律。
• 電磁感應：法拉第和楞次定律、電感、交流電路。
• 馬克士威方程式和電磁波方程式。

光學

• 波動光學：干涉、繞射和偏振。
• 幾何光學：反射、折射、透鏡和光學儀器。
• 光的雙重性質：光子和波粒二象性。

量子物理

• 早期量子理論：黑體輻射、光電效應、康普頓散射。
• 薛丁格方程式和量子態。
• 量子模型：井、振子、穿隧、氫原子。
• 原子結構：光譜、自旋和精細結構。

分子和固體物理

• 分子鍵合以及振動/轉動光譜。
• 晶體結構、能帶理論、導體、半導體和超導性。

核和粒子物理

• 核結構、放射性、裂變和聚變。
• 基本粒子、夸克、輕子和標準模型。
• 宇宙學：早期宇宙、守恆定律和基本相互作用。

批判性分析

教材優勢

• 全面覆蓋：在單一卷本中涵蓋古典力學、電磁學、熱力學、光學、量子物理、相對論和現代主題。
• 問題解決導向：提供不同難度級別的各種問題，強調定量技能。
• 教學特色：工作實例、概念檢查點和現實應用有助於學生參與。
• 現代物理整合：包含量子力學、相對論、核物理和宇宙學，使教材適用於擴展的大學部課程。
• 靈活性：擴展版允許教師為不同課程序列定製內容。

局限性和挑戰

• 數學強度：需要較強的微積分技能；對數學信心不足的學生可能具有挑戰性。
• 呈現密度：解釋有時簡潔，需要補充教學或參考資料以獲得更深理解。
• 概念平衡：與Hewitt的《概念物理學》等教材相比，更注重計算而非概念發展。
• 卷本大小：擴展版龐大沉重，可能限制其作為單一課程教材的吸引力。

在課程中的地位

• 主要教科書：廣泛用於面向科學和工程專業的微積分基礎物理入門課程。
• 高級學習準備：為專業力學、電磁學、量子物理和熱力學課程奠定基礎。
• 參考作用：作為問題解決技巧和物理常數的長期參考。

總體評價

Tipler & Mosca的《科學家與工程師物理學》仍然是最受尊敬的微積分基礎物理教材之一。其廣泛範圍、嚴格的問題集和現代物理整合使其對大學部教育極其寶貴。雖然在數學先修要求上要求較高，有時在呈現上較為密集，但它成功地為學生提供了高級科學和工程研究所需的工具和知識。

現實應用和實例

力學

• 車輛安全系統（安全帶、安全氣囊）用牛頓定律和動量守恆解釋。
• 軌道力學應用於衛星、GPS和太空探索。
• 結構工程基於靜力平衡和轉矩分析。

相對論

• 高速粒子實驗驗證時間膨脹和長度收縮。
• GPS衛星需要相對論修正以準確導航。
• 重力透鏡和黑洞物理作為天體物理應用。

流體和振盪

• 基於白努利原理的飛機和汽車空氣動力學。
• 使用帕斯卡原理的液壓系統（剎車、升降機）。
• 共振現象應用於樂器和地震工程。

熱力學

• 用卡諾循環建模的熱機和冷凍機。
• 熱力學原理應用於發電廠和可再生能源系統。
• 熵概念應用於氣候科學和資訊理論。

電和磁

• 電路理論用於電子學、通信和配電。
• 電磁感應為發電機、變壓器和無線充電提供動力。
• 基於磁場和核自旋的MRI技術。

光學

• 相機、顯微鏡和望遠鏡中的透鏡。
• 薄膜塗層和全像術中使用的光學干涉。
• X射線晶體學和光譜學中應用的繞射原理。

量子物理

• 光電效應形成太陽能電池的基礎。
• 半導體器件和核聚變中的量子穿隧。
• 雷射技術應用於醫學、通信和製造。

固體物理

• 能帶理論解釋半導體、電晶體和積體電路。
• 超導性應用於磁浮列車、MRI機器和粒子加速器。

核和粒子物理

• 核裂變為反應爐提供動力，核聚變研究為永續能源。
• 醫學中使用核衰變的放射治療。
• 粒子加速器（CERN、費米實驗室）探索基礎物理並推動技術進步。

宇宙學

• 大爆炸理論和宇宙微波背景輻射塑造我們對宇宙的理解。
• 守恆定律應用於天體物理過程和暗物質/暗能量研究。