物理學原理‧上卷(翻譯版‧原書第10版)（簡體書）

這套書是沃克、哈里德和瑞斯尼克所著的《物理學原理》（Principles of Physics）第10版的中譯本。大學中廣泛使用的國際經典教材。
那些特點是：突出物理，物理原理和生動的抽象概念、內容，內容，生產實際以及最新的接觸。第44章還簡要介紹了近代物理學的主要進展，包括相對論、量子物理學，最後一章還講述了夸克和大爆炸。簡單介紹了本質原理和彎曲學習時空科技。書籍有許多來自生活和新生活的例子，對提高學生學習物理學的興趣、明確物理學的目的大有智慧。
各書分上、下兩卷，共44章，上卷從第1章到第20章；下卷從第21章到第44章。為了能更好地幫助學生理解和領會物理學的原理和原理概念，每章單元的每一個單元都有“學習目標”和“關鍵概念”的欄目內容，這一章中的主要物理內容。 ”的欄目，每一個學生學完單元後必須掌握的物理內容和物理概念。每一個小題都了解小題，每一個小題詳細地交代題的關鍵概念和解題。章都附有一篇習題以供教師和學生選擇。
本套書的插圖內容詳解，表意清晰，製作精美，與全身配合處理。
本套書可教學高等學校基礎物理課的教材或參考書，同時也是教師（包括中學教師）、物理科研人員和物理教師專業課的參考書。

書中的例題分成若干小題，每一小題都詳細地交代瞭解題的關鍵概念和解題步驟。每章都附有豐富的習題以供教師和學生選擇。

PREFACE

前言

 

我為什麼要寫這本書
面對巨大的挑戰很有樂趣。這是我對學物理的看法。這想法來自那一天，我曾教的一位名叫莎倫的學生（現已畢業）突然問我：“在我的生活

中，這些東西有什麼用呢？ ”當然我立即回答說：“莎倫，在你的生活中每件事都和這有關——這就是物理學。 ”

她要我舉一個例子，我想來想去就是想不出一個合適的。那個晚上我就開始寫《物理學的飛行馬戲團》（John Wiley & Sons公司，1975）。這本書是為莎倫而寫，也是為我自己而寫，因為我知道她的疑問也是我的疑問。我花了六年時間認真鑽研了幾十本物理學教科書，這些書都是根據好的教學計劃認真地編寫出來的，但都缺少了某些東西。物理學是有趣的學科之一，因為它是關於自然界是怎樣運行的，但這些教科書完全沒有談到和真實自然界的任何關係，有趣的東西也都一點沒有了。

我已經在《物理學原理》這本書中採納了從新版的《物理學的飛行馬戲團》中挑選出來的許多真實世界物理學的例子。許多材料來自我教的物理學導論課程。在這些課上，我可以從學生的面部表情和直率的評論判斷哪些材料和展示有好的效果，而哪些卻沒有。我的成功和失敗記錄是形成這本書的基礎。這裡我要傳達的信息和多年前遇到莎倫以來我給我遇到過的每一位學生傳達的都同樣是：“你們從基本的物理概念終究可以推導出有關真實世界的合理的結論，這種對真實世界的認識就是樂趣之所在。”

我寫這本書有好幾個目標，但首要的目標是給教師提供一些工具，他們據此可以教學生如何有效地閱讀科學資料，懂得基本概念，思考科學問題，並且能夠定量地解題。無論對學生還是教師來說，這個過程並不容易。確實，使用這本書的課程或許是學生學過的所有課程中挑戰性的一門課。然而，它也可能是值得做的一件事，因為它揭示了所有科學和工程應用賴以實現的自然界的基本機理。

本書第9版的許多使用者（包括教師和學生）給我提出了改進本書的批評意見和建議。這些改進都體現在全書的敘述和習題中。出版商John Wiley & Sons公司和我把這本書看作不斷發展的項目並鼓勵使用者提出更多的意見。你們可以把建議、修改意見以及正面或負面的意見送交John Wiley & Sons或吉爾·沃克（通信地址：克利夫蘭州立大學物理系，Cleveland,OH 44115 USA）；或博客地址：wwwflying circus of physicscom）。我們可能無法對所有的建議都做出回應，但我們會盡量保留並研究每一條建議。
哪些是新的東西？

單元和學習目標“我要從這一節學習到什麼？”幾十年來好的學生和差的學生都問過我這個問題。問題在於，即使是一個善於思考的學生在閱讀一個小節時，對是否抓住了要點也可能會感到沒有信心。回想起我在用第1版哈里德和瑞斯尼克合著的《物理學》教學年的物理學課程時也有同樣的感受。

在這一版中為使這個問題緩解一些，我在原來題目的基礎上把各章重組成概念的單元，並將各單元的學習目標列出作為每個單元的開始。這些列出的項目是對閱讀這一單元應當學到的要點和技巧的簡明表述。緊接著每一組列項是對應當學到的關鍵概念的簡明小結。例如，看一看第16章單元，學生在這一單元中要面臨一大堆的概念和名詞。我現在提供了明晰的檢索清單，學生可以靠自己的能力把這些概念收集和分類，它的作用就好像飛行員起飛前在跑道上滑行時要通盤核對一遍程序表格一樣。

課外作業習題和學習目標之間的關係在WileyPLUS中，每一章後面的每一個問題和習題都聯繫著學習目標，要回答（通常不用說出來）這樣的問題：“我為什麼要做這個習題？我應該從它學到什麼？”通過明確一個習題的目的，我相信學生會用不同的語言但卻相同的關鍵概念把學習目標更好地轉移到其他的習題上。這種轉移有助於克服常常遇到的困難，就是學生學會了解某一特殊的習題，但卻不會把它的關鍵概念用於另一種條件下的問題。

 

重寫某幾章我的學生對關鍵的幾章和另外幾章中的一些方面不斷地提出建議，所以在這一版中我重寫了許多內容。例如，我重新構思了關於高斯定律和電勢這兩章，因為原先的這兩章被證明對我的學生來說太困難了。現在的表述更加流暢，並且關鍵的要點表述更加直截了當。在有關量子物理的幾章裡，我擴展了薛定諤方程的範圍，包括物質波在階躍勢上的反射。遵照一些教師的要求，我將玻爾原子的討論和氫原子的薛定諤解分開，這樣就可以繞過對玻爾工作的歷史說明。還有，現在有了關於普朗克的黑體輻射的單元。

新的例題16個新的例題已經被增加到各章中，這是為了突出我的學生們感到困難的一些領域。

可視圖解在WileyPLUS中可以得到這本教材的電子版，這是羅格斯大學（Rutgers University）的戴維·梅洛（David Maiullo）製作的教材中大約30幅照片和插圖的視頻。物理學中大部分是研究運動的事物，視頻常常可以比靜態的照片和圖片提供更佳的描述。

在線輔助WileyPLUS不僅僅是在線評分的程序，實際上它還是生動的學習中心，配有許多不同的學習輔助材料，包括實時的解題指導、鼓勵學生的嵌入式閱讀測驗、動畫、幾百道例題、大量的模擬和演示以及1500個以上的視頻，內容從數學複習到與例題有關的微型課程。每學期都會增加更多的學習輔助材料。在《物理學原理》第10版中，一些運動的照片被轉換成視頻，

這樣可以將運動變慢以進行分析。

這幾千個學習輔助材料可以全天候得到，並且可以隨意重複使用。這樣，如果一個學生，譬如說在半夜2點40分（這好像是做物理課外作業的時間）被一個課外作業題難住，點擊鼠標就可以得到合適的、對他有幫助的資料。
學習工具

 

 

 

 

當我用第1版哈里德和瑞斯尼克合著的《物理學》學習年物理學時，我通過反复閱讀才得以理解每一章。現今，我們更好地了解到，學生有廣泛多樣的學習風格，所以我製作了多樣的學習工具，這些都體現在了這一版的書和在線的WileyPLUS中。

動畫每一章都有一些關鍵的圖用動畫表現。在這本書中，這些圖用旋渦符號來標記。在WileyPLUS的線上章節中，點擊鼠標動畫就開始了。我選擇其中有豐富信息的一些圖做成動畫，故學生可以看到的不僅僅是那些印刷在書頁上的插圖，而是活生生的物理學，並且用幾分鐘時間就可以播放完。這不但使物理學鮮活起來，而且動畫可以根據學生的需要多次重複播放。

視頻我已經製作了1500多個教學視頻，每學期還要增加，學生可以聽我在解釋、

指導、講解例題或總結的時候在屏幕上看著我畫圖或打字，十分像他們在我的辦公室裡坐在我旁邊看我在草稿本上推算某些東西時

的經歷一樣。教師的講課或個別指導總是有價值的學習方式，而我們視頻是全天候都可以得到的，並且可以無數次地重複使用。
 一些章節中某些主題的視頻輔導。我選擇學生感到困難、傷腦筋的一些主題。
 高中數學的視頻複習，像基本的代數運算、三角函數和聯立方程。
 數學的視頻介紹，像矢量運算，這對學生來說是新的知識。
 教材各章中每個例題的視頻圖像描述。我的意圖是從關鍵概念出發學習物理學而不是只抓住公式。然而，我還是會演示怎樣解讀例題，就是說怎樣讀懂技術資料，學會解題的步驟，這些也可以用到其他類型的習題上。
 每一章後面20%的習題的視頻求解。學生是不是能夠看到這些解以及什麼時候才能得到答案是由教師控制的。例如，可以在課外作業截止期限以後或者小測驗以後得到。每一個解答不是簡單的對號入座的處方。我建立了從基本概念和推理的步開始到後的答案的解題方法。學生不僅僅是學習解答一道特定的習題，而是要學會處理任何問題，甚至要有處理這些問題所需要的物理學的勇氣。
 怎樣從曲線圖讀出數據的視頻例子（並不是在沒有理解物理意義的情況下就去簡單地讀取數字）。

解題助手我已經為WileyPLUS編寫了大量的資料，這些是為幫助學生提高解題能力而設計的。

 本書中的每道例題的閱讀及視頻版本都可以在線上得到。
 幾百道附加的例題。這些都是獨一無二的資料，但（可由教師自己選定）它們也連接著超出課外作業範圍的例題。所以，如果一道課外作業題是處理，比如說是作用於斜面上的木塊的力，那麼這裡也提供了有關例題的連接。不過，這種例題和課外作業並不完全一樣，它並不提供一個只要復製而不用理解的解答。
 每一章後面的課外作業中的15%都可在GO Tutorials欄目中找出求解步驟。我引導學生做課外作業要經過多個步驟，從關鍵概念開始，有時給出錯誤的答案並做出提示。然而，我會故意把（得到終答案的）後一步留給學生。這樣，他們後要自己負責做完習題。某些在線教學系統有意給出錯誤答案讓學生落入陷阱，這會使學生產生很大的困惑，而我的GO Tutorials並不是陷阱，學生在解題過程中的每一步都可以回到主要的問題上來。
 每一章後面課外作業的每一道題的提示都可以（在教師的指導下）得到。我編寫的這些材料是關於主要概念和解題一般步驟的具體提示，而不是只提供答案而無須理解的訣竅。

評價資料
 在線上的每一節都可找到相應的閱讀問題。我編寫這些材料並不是要讓他們進行分析或深入的理解，只是為了測試一下學生是不是讀過這一節。當學生打開某一節時，從題庫中隨機選擇的閱讀問題就會出現在該節後的空白處。教師可以自行決定這個問題是作為打分數的根據呢，還是僅僅作為學生的練習。
 在大多數小節中設置有檢查點。這些檢查點要求用這一節中的物理原理做分析和判斷。所有檢查點的答案都在書的後。

 

檢查點1
這裡有三對沿x軸的起點和終點：（a）-3m, 5m;(b)-3m,-7m;(c)7m,-3m，哪幾對給出負位移？

 本書中每一章後面的大多數習題（和更多其他的習題）在WileyPLUS中都可以找到。教師可以在線上指定課外作業，並依據網上提交的答案打分。例如，教師規定交作業的截止日期和允許一個學生對一個答案可以嘗試多少次。教師也可以控制每一道課外習題能得到哪些學習幫助（如果有的話）。這種連接包括提示、例題、章內的閱讀材料、視頻輔導、視頻教學複習，甚至還包括視頻解題（這可以在課外作業截止日期後給學生）。
 符號標記的習題。這種需要得到代數式答案的習題在每章中都有。
教師用的補充資料

教師用解題手冊由Lawrence Livermore國家實驗室的SenBen Liao編著。這本手冊提供每章後面所有習題的解題步驟，它有MS Word和PDF兩種格式。
教師伴侶網址http://wwwwileycom/college/halliday
 教師手冊這份資料概括了每一章中重要的論題的講課要點、演示實驗、實驗室和計算機項目、電影和視頻資料、所有習題的答案和檢查點以及與以前版本中習題相關的指導，也包含了學生可以得到解答的所有習題的完整目錄。
 講課用Power Point幻燈片。這些Power Point幻燈片可用作對教師有幫助的起動包，它概括了這本教材中的關鍵概念和相關的圖表及方程式。
 Wiley物理學模擬，由Boston University的Andrew Duffy和Vernier Software的John Gastineau製作。這是50個相互作用的模擬（Java應用程序），可以用作課堂演示。
 Wiley物理學演示由Rutgers University的David Maiullo製作。這是80個標準物理學演示的數字視頻的集合。它們可以在課堂上演示或從WileyPLUS中得到。另有與選擇題相配套的教師指導。

 試題庫第10版的試題庫已被Northern Illinois University的Suzanne Willis全部檢查過，試題庫包含2200多道多項選擇題。這些題目在計算機試題庫中也可找到，這個計算機試題庫提供了完整的編輯功能，可以幫助你按自己的要求選擇測驗題（IBM和Macintosh版本都可以得到）。
 教材中所有的圖表適用於課堂投影或印刷。

線上課外作業和小測驗除了WileyPLUS和《物理學原理》第10版外，也支持WebAssign PLUS和LONCAPA，這些程序也提供教師在線上佈置課外作業和小測驗以及評分的功能。 WebAssign PLUS也給學生提供這本教材的線上版本。

學生用的補充資料

學生伴侶網址http://wwwwileycom/college/hallidy，這是專門為《物理學原理》第10版製作並為進一步幫助學生學習物理學而設計的，它包含每一章後面的部分習題的解答、模擬練習，以及怎樣好地應用可編程計算器的技巧。

互動學習軟件這個軟件指導學生如何求解200道各章後面的習題。求解過程是互動的，有適當的反饋並可得到防止常見錯誤的具體指導。

 

致謝

 

ACKNOWLEDGEMENTS

致謝

許多人對這本書做出了貢獻。
Lawrence National Laboratory的SenBen Liao，Southern Polytechnic State University的James Whitenton，和Pasadena City College的Jerry Shi等人完成了解答本書每一道課外作業題的艱鉅任務。在John Wiley出版社，這本書出版計劃的落實得到了Stuart Johnson、Geraldine Osnato和Aly Rentrop這三位編輯從頭到尾的監督。我們感謝出版編輯Elizabeth Swain，她在復雜的編輯過程中把所有各部分彙編起來。我們還要感謝Maddy Lesure，她設計了這個版本；Lee Goldstein，她負責版式設計；Helen Walden，她擔任文字編輯；Lilian Brady，她負責校對。 Jennifer Atkins，她啟發我去尋找稀有並且有趣的照片。 John Wiley出版社和吉爾·沃克（Jearl Walker）都要感謝下列各位對這一版的評論和建議：

Jonathan Abramson, Portland State University;
Omar Adawi, Parkland College;
Edward Adelson, The Ohio State University;
Steven R. Baker, Naval Postgraduate School;
George Caplan, Wellesley College;
Richard Kass, The Ohio State University;
MRKhoshbineKhoshnazar, Research Institution for Curriculum Development & Educational Innovations(Tehran);
Craig Kletzing, University of Iowa,
Stuart Loucks, American River College;
Laurence Lurio, Northern Illinois University;
Ponn Maheswaranathan, Winthrop University;
Joe McCullough, Cabrillo College;
Carl E. Mungan, USNaval Academy,
Don NPage, University of Alberta;
Elie Riachi, Fort Scott Community College;
Andrew G. Rinzler, University of Florida;
Dubravka Rupnik, Louisiana State University;
Robert Schabinger, Rutgers University;
Ruth Schwartz, Milwaukee School of Engineering;
Carol Strong, University of Alabama at Huntsville,
Nora Thornber, Raritan Valley Community College;
Frank Wang, LaGuardia Community College;
Graham WWilson, University of Kansas;
Roland Winkler, Northern Illinois University;
William Zacharias, Cleveland State University;
Ulrich Zurcher, Cleveland State University.

後，我們的校外審閱者都是極其優秀的，在這裡我們要感謝團隊中每一位人士，他們是：

Maris AAbolins, Michigan State University
Edward Adelson, Ohio State University
Nural Akchurin, Texas Tech
Yildirim Aktas, University of North CarolinaCharlotte
Barbara Andereck, Ohio Wesleyan University
Tetyana Antimirova, Ryerson University
Mark Arnett, Kirkwood Community College
Arun Bansil, Northeastern University
Richard Barber, Santa Clara University
Neil Basecu, Westchester Community College
Anand Batra, Howard University
Kenneth

CONTENTS

目錄

 

譯者序

前言

致謝

全套書簡明目錄

 

第1章測量

11測量物體，包含長度測量

12時間

13質量

複習和總結

習題

第2章直線運動

21位置、位移和平均速度

22瞬時速度和速率

23加速度

24恆加速度

25自由下落加速度

26運動分析中的圖解積分法

複習和總結

習題

 

第3章矢量

31矢量和它們的分量

32單位矢量，用分量將矢量相加

33矢量乘法

複習和總結

習題

第4章二維和三維運動

41位置和位移

42平均速度和瞬時速度

43平均加速度和瞬時加速度

44拋體運動

45勻速圓周運動

46一維相對運動

47二維相對運動

複習和總結

習題

第5章力和運動Ⅰ

51牛頓和第二定律

52幾種特殊的力

53應用牛頓定律

複習和總結

習題

第6章力和運動Ⅱ

61摩擦力

62阻力和終極速率

63勻速圓周運動

複習和總結

習題

第7章動能和功

71動能

72功和動能

73重力做的功

74彈簧力做的功

75一般變力做的功

76功率

複習和總結

習題

第8章勢能和能量守恆

81勢能

82機械能守恆

83解讀勢能曲線

84外力對系統做功

85能量守恆

複習和總結

習題

第9章質心和線動量

91質心

92質點系的牛頓第二定律

93線動量

94碰撞和衝量

95線動量守恆

96碰撞中的動量和動能

97一維彈性碰撞

98二維中的碰撞

99變質量系統：火箭

複習和總結

習題

第10章轉動

101轉動變量

102恆定角加速度的轉動

103把線變量和角變量聯繫起來

104轉動動能

105計算轉動慣量

106轉矩

107轉動的牛頓第二定律

108功和轉動動能

複習和總結

習題

第11章滾動、轉矩和角動量

111作為平移和轉動組合的滾動

112滾動的力和動能

113溜溜球

114再論轉矩

115角動量

116牛頓第二定律的角量形式

117剛體的角動量

118角動量守恆

119陀螺儀的進動

複習和總結

習題

第12章平衡與彈性

121平衡

122靜力平衡的幾個例子

123彈性

複習和總結

習題

 

第13章引力

131牛頓引力定律

132引力和疊加原理

133地球表面附近的引力

134地球內部的引力

135引力勢能

136行星和衛星：開普勒定律

137衛星：軌道和能量

138愛因斯坦與引力

複習和總結

習題

第14章流體

141流體，密度和壓強

142靜止的流體

143測量壓強

144帕斯卡原理

145阿基米德原理

146連續性方程

147伯努利方程

複習和總結

習題

第15章振動

151簡諧運動

152簡諧運動中的能量

153角簡諧振子

154擺，圓周運動

155阻尼簡諧運動

156受迫振動與共振

複習和總結

習題

第16章波Ⅰ

161橫波

162繃緊的繩子上的波速

163沿繩子傳播的波的能量和功率

164波動方程

165波的干涉

166相矢量

167駐波和共振

複習和總結

習題

第17章波Ⅱ

171聲速

172聲波行波

173干涉

174強度和聲級

175樂音的聲源

176拍

177多普勒效應

178超聲速，衝擊波

複習和總結

習題

第18章溫度、熱和熱力學定律

181溫度

182攝氏溫標和華氏溫標

183熱膨脹

184熱的吸收

185熱力學定律

186傳熱機理

複習和總結

習題

第19章氣體動理論

191阿伏伽德羅常量

192理想氣體

193壓強，溫度和方均根速率

194平動動能

195平均自由程

196分子速率分佈

197理想氣體的摩爾熱容

198自由度和摩爾熱容

199理想氣體的絕熱膨脹

複習和總結

習題

第20章熵和熱力學第二定律

201熵

202真實世界中的熵：熱機

203製冷機和真實熱機

204熵的統計觀點

複習和總結

習題

附錄

附錄A國際單位制(SI)

附錄B一些物理學基本常量

附錄C一些天文數據

附錄D換算因子

附錄E數學公式

附錄F元素的性質

附錄G元素週期表

檢查點和奇數題號習題的答案