物理學原理

引用

Serway, R. A., & Jewett, J. W., Jr. (2013). Principles of Physics: A Calculus-Based Text (5th ed.). Brooks/Cole. ISBN 9781133104261

章節概要

第1章 – 導論與向量

介紹單位、量綱分析、有效數字、坐標系統和向量。強調建模和問題解決策略。

第2章 – 一維運動

涵蓋位移、速度和加速度。討論等加速運動和自由落體實例。

第3章 – 二維運動

分析拋射體運動、相對速度和等速圓周運動。介紹切線和徑向加速度。

第4章 – 運動定律

探討牛頓三定律、力的概念和重量。使用自由體圖和模型進行問題解決。

第5章 – 牛頓定律的更多應用

檢驗摩擦、圓周運動、阻力和自然界的基本相互作用。

第6章 – 系統的能量

介紹功、動能和位能。討論保守力與非保守力以及能量圖。

第7章 – 能量守恆

闡述能量守恆原理。解釋功率、摩擦能量損失和穩態系統。

第8章 – 動量和碰撞

涵蓋線性動量、衝量、碰撞和質心運動。應用包括火箭推進。

第9章 – 相對論

介紹愛因斯坦假設、洛倫茲變換、時間膨脹、長度收縮、相對論動量和能量以及廣義相對論。

第10章 – 轉動運動

涵蓋轉動運動學、轉矩和角動量。介紹滾動運動和剛體動力學。

第11章 – 角動量與平衡

解釋角動量守恆、陀螺儀和結構的靜平衡。

第12章 – 振盪運動

分析簡諧振子、擺錘、阻尼和驅動振盪以及共振。

第13章 – 機械波

涵蓋波傳播、能量傳遞、反射、透射和包括都普勒效應的聲波。

第14章 – 疊加與駐波

介紹干涉、駐波、拍頻以及在音樂聲學中的應用。

第15章 – 流體力學

討論壓力、浮力、白努力原理、黏性、湍流和生物學應用。

第16章 – 溫度和動力論

探討測溫、熱膨脹、理想氣體定律和氣體動力論。

第17章 – 熱過程中的能量

涵蓋熱、比熱、潛熱和熱力學第一定律。

第18章 – 熱機和熵

解釋熱力學第二定律、卡諾循環、熵和能源效率。

第19章 – 電場

介紹庫倫定律、電場概念、電偶極和高斯定律。

第20章 – 電位

討論位能、電位、等電位面和電容器。

第21章 – 電路

涵蓋電流、電阻、歐姆定律、直流電路、基爾霍夫定律和RC瞬變。

第22章 – 磁力與磁場

介紹磁場、對電荷和電流的力、畢奧-薩伐定律和安培定律。

第23章 – 電磁感應

解釋法拉第定律、運動電動勢、電感、RL電路和磁儲能。

第24章 – 電磁波

提出馬克斯威爾方程式、電磁波性質、偏振和電磁頻譜。

第25章 – 光的反射與折射

解釋幾何光學、反射、折射、色散和全內反射。

第26章 – 成像

涵蓋反射鏡、透鏡、眼睛和光學儀器。

第27章 – 波動光學

探討干涉、繞射、偏振和全像術。

第28章 – 量子物理

討論黑體輻射、光電效應和康普頓效應、波粒二元性、不確定性和薛丁格方程式。

第29章 – 原子物理

分析氫原子、量子數、包立不相容原理、原子光譜和X射線。

第30章 – 核物理

探討核性質、結合能、放射性、衰變過程和核反應。

第31章 – 粒子物理

介紹基本力、守恆定律、介子、夸克和標準模型。

附錄

包括數學工具、SI單位、週期表和精選問題解答。

核心概念

物理學基礎

• 測量、單位和量綱分析作為物理建模的基礎。
• 向量和基於微積分的工具作為描述物理系統的基本語言。

力學

• 運動學：一維、二維和三維運動。
• 牛頓運動定律及其在直線和圓周運動中的應用。
• 功、能量和機械系統中的能量守恆。
• 線性動量、衝量和碰撞。
• 轉動動力學、轉矩和角動量守恆。
• 剛體的平衡和結構的穩定性。

相對論

• 愛因斯坦狹義相對論假設。
• 洛倫茲變換、時間膨脹和長度收縮。
• 相對論動量和能量，包括質能等價性。
• 廣義相對論的入門概念。

振盪和波

• 簡諧運動、阻尼和共振。
• 行進波和駐波、疊加和拍頻。
• 聲波性質和都普勒效應。

流體力學

• 壓力、浮力和帕斯卡原理。
• 白努力方程式及其在生物和工程系統中的應用。
• 實際流體中的黏性和湍流。

熱力學

• 氣體動力論和溫度的微觀解釋。
• 傳熱方法：傳導、對流、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、卡諾循環和效率。

電學與磁學

• 電場、庫倫定律、高斯定律和電位。
• 電容、儲能和介電材料。
• 電流、電阻、電路和基爾霍夫定律。
• 磁場、對運動電荷和電流的力。
• 電磁感應、法拉第和楞次定律以及電感。
• 馬克斯威爾方程式和電磁波傳播。

光學

• 幾何光學：反射、折射、透鏡和成像。
• 波動光學：干涉、繞射、偏振和相干性。
• 光學儀器及其在成像技術中的應用。

量子物理

• 量子力學的起源：黑體輻射、光電效應、康普頓散射。
• 薛丁格方程式、機率解釋和不確定性原理。
• 量子模型：位勢井、氫原子、原子軌道。

原子和核物理

• 原子結構、光譜、包立不相容原理和自旋。
• 核性質、放射性、衰變模式和核能。
• 裂變、聚變和輻射在技術和醫學中的應用。

粒子物理

• 基本粒子：夸克、輕子、介子、重子。
• 守恆定律和相互作用（強、弱、電磁、引力）。
• 標準模型框架和宇宙學聯繫。

批判性分析

教材優勢

• 全面的課程涵蓋：在一卷中涵蓋力學、熱力學、電磁學、光學、量子、核和粒子物理。
• 基於微積分的方法：強調使用微積分進行嚴謹的問題解決，為學生的高級科學和工程課程做準備。
• 教學特色：清晰的結構，包括工作範例、問題解決策略和各種章末問題。
• 平衡的現代內容：在經典基礎之外包括相對論、量子理論和粒子物理。
• 現實應用：頻繁連結生物學、醫學、工程和技術以將理論置於情境中。

局限性和挑戰

• 數學要求：需要強有力的微積分先修知識；可能對數學背景較弱的學生構成挑戰。
• 闡述密度：簡潔的解釋有時假設學生具有比實際更高水準的直覺。
• 問題導向：對計算的強烈強調可能掩蓋與更敘述性文本相比的深層概念討論。
• 重量和範圍：大卷本在用於單一課程序列時可能令人不堪重負。

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基於微積分的物理入門課程。
• 高級物理準備：為高級力學、電磁學、熱力學和現代物理提供基礎。
• 與其他教材的比較：不如Halliday & Resnick簡潔但更專注於問題解決；比Hewitt的概念方法更嚴謹。

總體評價

Serway & Jewett的《物理學原理》是大學物理教育中的標準、受人尊敬的教材。其優勢在於嚴謹的、問題解決導向的方法以及經典和現代主題的整合。雖然它可能感覺密集或數學要求高，但它為學生提供了在物理和工程進一步學習中必需的分析技能和基礎知識。

現實應用和實例

力學

• 通過牛頓定律和動量守恆解釋的車輛安全裝置（安全帶、安全氣囊、緩衝區）。
• 基於引力和相對論的衛星軌道、太空旅行和GPS導航。
• 橋樑、起重機和建築物中轉矩和平衡的工程應用。

相對論

• 使用時間膨脹和相對論動量的GPS衛星修正。
• 驗證相對論預測的高能粒子物理實驗。
• 黑洞和引力透鏡等天體物理現象。

振盪和波

• 樂器、建築物和橋樑中的共振。
• 使用駐波原理的音樂廳聲學設計。
• 應用波干涉和都普勒頻移研究地震的地震學。

流體力學

• 利用帕斯卡原理的液壓系統（剎車、升降機、醫療器械）。
• 使用白努力方程式的飛機機翼設計中的空氣動力學。
• 血流和呼吸力學等生物應用。

熱力學

• 汽車、發電廠和可再生能源系統中的熱機。
• 通過第一和第二定律解釋的製冷和空調循環。
• 應用於氣候建模和資訊理論的熵考慮。

電學與磁學

• 為電子產品、通信和家用設備供電的電路。
• 應用於發電、變壓器和無線充電的電磁感應。
• 依賴磁場的MRI和其他醫學成像技術。

光學

• 基於透鏡和反射鏡光學的眼鏡、顯微鏡、望遠鏡和相機。
• 應用於抗反射塗層和全像術的薄膜干涉。
• 利用反射和繞射的光纖和雷射通信系統。

量子物理

• 形成太陽能電池和光感測器基礎的光電效應。
• 應用於掃描穿隧顯微鏡和半導體器件的量子穿隧。
• 應用於手術、資料儲存和工業切割的雷射。

原子和核物理

• 用於醫學診斷和癌症治療的放射性同位素。
• 為反應爐提供動力的核裂變；作為永續能源的聚變研究。
• 考古學和地質學中的定年技術（碳-14、鈾-鉛）。

粒子物理和宇宙學

• 在CERN和其他加速器測試的標準模型預測。
• 夸克和輕子作為物質的構建塊。
• 大霹靂宇宙學和暗物質研究塑造我們對宇宙的理解。