大學物理學

引用

Young, H. D., Freedman, R. A., & Ford, A. L. (2019). University Physics with Modern Physics (15th ed., SI Units). Pearson Education. ISBN 9781292317335

章節概要

第1章 – 單位、物理量和向量

涵蓋SI單位、量綱分析、有效數字和向量代數。

第2章 – 直線運動

描述一維運動學量——位移、速度和加速度。

第3章 – 二維或三維運動

分析拋射體和圓周運動；介紹相對速度和加速度分量。

第4章 – 牛頓運動定律

解釋牛頓定律、慣性參考系和力的應用。

第5章 – 牛頓定律的應用

涵蓋摩擦、阻力、等速圓周運動和張力問題。

第6章 – 功和動能

定義功、功率和動能。介紹功能定理。

第7章 – 位能和能量守恆

介紹保守力、位能和機械能守恆。

第8章 – 動量、衝量和碰撞

探討動量、衝量以及碰撞和系統中的守恆。

第9章 – 剛體轉動

介紹角速度、角加速度和轉動運動學。

第10章 – 轉動運動的動力學

解釋轉矩、轉動慣量、滾動運動和角動量。

第11章 – 平衡和彈性

涵蓋靜平衡、轉矩平衡以及固體中的應力-應變。

第12章 – 流體力學

討論壓力、浮力、白努力原理和黏性。

第13章 – 萬有引力

涵蓋牛頓萬有引力定律、衛星運動和克卜勒定律。

第14章 – 週期運動

分析諧振子、擺錘、阻尼和共振。

第15章 – 機械波

介紹波的性質、能量傳輸和波速。

第16章 – 聲音和聽覺

解釋聲波、都普勒效應、強度和共振。

第17章 – 溫度和熱

定義溫度標度、熱和熱膨脹。

第18章 – 物質的熱性質

涵蓋比熱、相變和分子運動。

第19章 – 熱力學第一定律

將能量守恆應用於熱力學系統和過程。

第20章 – 熱力學第二定律

介紹熵、熱機、卡諾循環和不可逆性。

第21章 – 電荷和電場

涵蓋庫倫定律、電場和電偶極。

第22章 – 高斯定律

將高斯定律應用於對稱電荷分佈。

第23章 – 電位

定義電位、位能和等位面。

第24章 – 電容和介電質

探討電容器、介電質和儲存的能量。

第25章 – 電流、電阻和電動勢

介紹電流、電阻、歐姆定律和電動勢。

第26章 – 直流電路

涵蓋基爾霍夫定律、RC電路和能量考慮。

第27章 – 磁場和磁力

解釋磁力對電荷和電流的作用。

第28章 – 磁場的源

涵蓋畢奧-薩伐定律、安培定律和螺線管。

第29章 – 電磁感應

解釋法拉第定律、楞次定律和動生電動勢。

第30章 – 電感

涵蓋自感、互感和RL電路。

第31章 – 交流電

分析交流電路、電抗、共振和功率。

第32章 – 電磁波

介紹馬克斯威爾方程式、波的性質和頻譜。

第33章 – 光的本質和傳播

描述光作為電磁波、偏振和光速。

第34章 – 幾何光學

探討反射、折射、透鏡、反射鏡和光學儀器。

第35章 – 干涉

涵蓋雙縫干涉、薄膜和相干性。

第36章 – 繞射

解釋繞射圖樣、光柵和解析度極限。

第37章 – 相對論

介紹愛因斯坦假設、洛倫茲變換和相對論力學。

核心概念

物理學基礎

• 單位、量綱和有效數字作為測量的語言。
• 向量和微積分作為物理學的數學工具。

力學

• 運動學：一維、二維和三維運動；速度和加速度。
• 動力學：牛頓運動定律和自由體圖。
• 功、動能、位能和能量守恆。
• 線動量、衝量和碰撞。
• 轉動：角速度、轉矩、轉動慣量、角動量。
• 固體和結構中的平衡和彈性。
• 萬有引力：牛頓定律、克卜勒定律、軌道和衛星。

振動和波

• 簡諧運動、阻尼、共振和振子中的能量。
• 行進波和駐波、疊加和干涉。
• 聲音：都普勒效應、強度、共振和聽覺。

流體力學

• 壓力、浮力和阿基米德原理。
• 白努力原理和流體動力學。
• 黏性、湍流和實際流體效應。

熱力學

• 溫度、熱膨脹和分子解釋。
• 傳熱：傳導、對流、輻射。
• 熱力學第一定律：熱過程中的能量守恆。
• 第二定律：熵、不可逆性、熱機、卡諾循環。

電學和磁學

• 靜電學：庫倫定律、電場、高斯定律、電位。
• 電容、介電質和儲存的電能。
• 電流、電阻、電動勢和電路分析。
• 磁學：磁場、力、畢奧-薩伐定律、安培定律。
• 電磁感應：法拉第定律、楞次定律、動生電動勢。
• 電感、交流電路、共振和功率。
• 馬克斯威爾方程式和電磁波傳播。

光學

• 光作為電磁波。
• 幾何光學：反射、折射、透鏡、反射鏡、光學儀器。
• 波動光學：干涉、繞射、相干性和偏振。
• 解析度極限和全像術。

相對論

• 愛因斯坦狹義相對論假設。
• 洛倫茲變換、時間膨脹、長度收縮、同時性。
• 相對論動量和能量。

現代物理學

• 量子基礎：黑體輻射、光電效應、康普頓散射。
• 薛丁格方程式、不確定性原理和波粒二元性。
• 原子結構：氫原子、量子數、自旋。
• 核物理：放射性、裂變、聚變和結合能。
• 粒子物理：夸克、輕子、守恆定律、標準模型。
• 宇宙學：大霹靂、宇宙膨脹和基本相互作用。

批判性分析

教材優勢

• 全面範圍：在統一序列中涵蓋力學、熱力學、電磁學、光學、相對論和現代物理學。
• 教學結構：清晰的解釋、工作實例和問題解決策略指導學生從基礎到高級應用。
• 問題集：大量多樣的章末問題，從概念檢查到具有挑戰性的定量練習。
• 現代物理學整合：相對論、量子力學、核和粒子物理學與經典基礎並列。
• 卷間一致性：力學、電磁學和現代物理學間的統一風格和進展，使其適應多學期課程。

局限性和挑戰

• 數學要求：假設較強的微積分背景；數學準備不足的學生可能會遇到困難。
• 內容密度：全面覆蓋可能讓初學者不堪重負；解釋有時優先考慮簡潔而非深度。
• 概念強調：與Hewitt的《概念物理學》等文本相比，較少強調直覺、概念方法。
• 卷冊大小：兩大卷可能感覺笨重，特別是對於較短的課程序列。

在課程中的地位

• 主要大學教材：科學和工程專業微積分基礎物理課程的標準教材。
• 高級學習準備：為力學、電磁學、量子物理和熱力學專業課程建立基礎。
• 比較作用：介於Halliday & Resnick（更簡潔）和Tipler & Mosca（更注重問題）之間，在嚴謹性和可接受性之間取得平衡。

總體評價

Young & Freedman的《大學物理學》仍然是基準微積分基礎物理教科書，在全世界大學中廣泛採用。其優勢在於融合清晰度、廣度和嚴謹性，使其在為科學和工程學生做準備方面高度有效。雖然數學要求高且內容密集，但其教學清晰度和全面的問題集使其成為高等教育中最持久和多用途的物理教科書之一。

現實應用和實例

力學

• 使用動量守恆和衝量解釋的車輛安全系統（安全氣囊、緩衝區）。
• 基於牛頓引力和相對論的衛星軌道、GPS導航和太空探索。
• 使用轉矩和平衡原理分析橋樑、摩天大樓和起重機的結構穩定性。

振動和波

• 建築物、橋樑和樂器中的共振。
• 使用波干涉和都普勒頻移研究地震的地震學。
• 音樂廳和降噪技術中的聲學工程。

流體力學

• 基於帕斯卡原理的液壓系統（剎車、升降機、注射器）。
• 使用白努力原理的飛機機翼設計和汽車工程中的空氣動力學。
• 生物流體動力學：血液循環、肺部氣流。

熱力學

• 用熱力學循環建模的發電廠、冰箱和熱泵。
• 第二定律解釋的發動機效率極限。
• 熵概念在氣候科學、資訊理論和統計力學中的應用。

電學和磁學

• 支撐所有電子學、計算和配電的電路理論。
• 發電機、變壓器和無線充電中的電磁感應。
• 使用磁場和核自旋的醫學MRI和NMR。

光學

• 使用透鏡和反射鏡方程式設計的眼鏡、相機、顯微鏡和望遠鏡。
• 用於防反射眼鏡和全像術的薄膜干涉。
• 依靠全內反射的網際網路和電信光纖。

相對論

• GPS衛星需要相對論時間修正以實現導航精度。
• 使用相對論動量和能量設計的高能粒子加速器。
• 天體物理現象，如黑洞和引力透鏡。

現代物理學

• 半導體器件、核聚變和掃描穿隧顯微鏡中的量子穿隧。
• 通信、醫學和製造中使用的雷射。
• 為反應爐提供動力的核裂變；可持續能源的核聚變研究。
• 探測夸克和輕子的粒子加速器（CERN、費米實驗室）。
• 宇宙學：大霹靂理論、宇宙微波背景和暗物質/能量研究。