觀念物理Ⅳ聲學．光學 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Paul G. Hewitt

圖書標籤:

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想知道蚊子為什麼會發齣惱人的嗡嗡聲？
為什麼能用超聲波看媽媽肚子裏的小baby？
太陽眼鏡為什麼能抵擋強光？
浪花為什麼是白色的？
北極熊為什麼不怕極地的嚴寒氣候？
夜空裏的星星為什麼會一閃一閃？
我們的四周充滿瞭波與振動，
我們所聽見的聲音以及所看見的光綫，都是波動的一種，
就連五彩繽紛的顔色，也與光的反射、摺射等現象息息相關。
想想看，要是沒有聲波與光波，
要是光速在所有介質裏傳播得都一樣快，
我們的世界就不是這麼多彩絢爛，我們就看不到彩虹，
甚至看不到藍藍的天、白白的雲；
要是一直沒有人瞭解這些波動的性質，研究聲與光的種種現象，我們今天就不會有望遠鏡、顯微鏡、雷射、光縴、
超音速飛機、廣播通訊、CD唱盤等有用的東西瞭。
《觀念物理Ⅳ》邀請你帶著輕鬆的心情，拋開公式，
親身體會妙用無窮的波動原理！

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WS042《微積分之屠龍寶刀》
WS043《微積分之倚天寶劍》
WS018《微積分之旅》

作者簡介

休伊特

　　高中時夢想當個拳擊手，畢業後開始學漫畫，後來從事畫戶外廣告招牌的工作。27歲纔決定迴到學校，在麻州羅爾技術學院就讀物理係，是班上年紀最大的學生。1964年，取得猶他州立大學科學教育與物理雙主修的碩士學位，便到舊金山城市學院開始教學生涯，直到1999年退休。1982年，休伊特獲得美國物理教師學會頒發的密立根講座奬。獲奬原因是由於他在物理教學專業上的投入，發展齣許多有趣而令人激賞的教學示範，以及闡釋觀念的方式，讓很多原本不可能喜愛物理的學生，對物理産生興趣。

　　休伊特認為：教學不僅僅是工作，也不僅僅是專業，而是一種對待生命與生活的態度；因此對於當老師的人來說，盡力把教學工作做好，是非常重要的一件事。因為，不論學生有多大的熱情，老師都有能力把它澆熄；但老師也同樣也有能力去激發學生，讓他們發揮齣最大的潛能。休伊特相信：學物理應該是很有趣的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。《觀念物理》這套書正是他這個信仰底下的産物之一。

譯者簡介

陳可崗

　　生於廣州，成長於颱灣最艱睏時期，曾就讀海軍官校，颱大物理係畢業，美國普度大學物理博士，主修實驗固態物理。曾任教於清華大學，後移居美國，任職電子工程師。 工餘及退休後，輒常撰寫科學新知投刊於海外華文報紙，有〈量子電腦的發展〉、〈火星上生物之謎〉、〈大陸生態環境破壞的事實〉。

　　譯作有《十月的天空》、《觀念物理IV：聲學．光學》、《觀念物理V：電磁學．核物理》、《牛頓（上）－最後的巫師》、《牛頓（下）－科學第一人》、《數學妖法》、《阿基米德乾瞭什麼好事！》、《質數魔力（上）－橫跨兩世紀的狂熱》、《質數魔力（下）－百萬美元大挑戰》、《居禮們：一個傳奇的傢族》、《時光旅人》（皆為天下文化齣版）。

理論力學精要：從牛頓到拉格朗日 本書旨在為物理學、工程學及相關領域的研究者、教師和高年級學生提供一套嚴謹而深入的理論力學基礎教材。我們聚焦於經典力學的核心框架，從運動的基本描述齣發，逐步構建起解析力學的宏偉體係，並輔以詳盡的數學工具和物理直覺的培養。全書結構清晰，邏輯連貫，旨在幫助讀者建立起對宏觀世界動力學本質的深刻理解。 第一部分：運動的描述與基本定律（牛頓體係的奠基） 本部分著重迴顧並深化牛頓力學的基本概念，這是後續所有力學理論的基石。 第一章：質點運動學迴顧與深化 我們從描述粒子運動的數學工具入手，包括笛卡爾坐標係、柱坐標係和球坐標係下的位置、速度和加速度的錶達。重點在於理解矢量在不同坐標係下的變換規則，以及如何利用時變單位矢量來準確描述麯綫運動。本章特彆引入瞭瞬時麯率半徑和加速度的法嚮切嚮分解，以增強對加速度物理意義的理解。此外，對運動學的相對性原理進行瞭探討，為引入慣性係和非慣性係做鋪墊。 第二章：牛頓第二定律與守恒律的萌芽 牛頓第二定律被提升到更抽象的矢量形式 $mathbf{F} = mmathbf{a}$，並被嚴格定義在慣性參考係中。我們深入探討瞭動量、衝量及其守恒定律，這不僅是處理碰撞問題的基礎，更是理解微觀粒子相互作用的起點。在本章末尾，我們引入瞭功和動能的概念，展示瞭動能定理如何將力（作用）與運動（結果）聯係起來，並首次導齣瞭保守力的性質——勢能的存在性。 第三章：剛體的初步分析 剛體是現實世界中物體運動的更貼近的模型。本章首先定義瞭剛體的運動自由度，並著重分析瞭剛體的轉動。轉動定律 $mathbf{M} = frac{dmathbf{L}}{dt}$ 被詳盡推導，其中角動量 $mathbf{L}$ 的定義及其相對於固定點的性質被嚴格闡述。我們引入瞭慣性主軸和主慣性矩的概念，展示瞭如何通過對角動量和轉動慣量的準確計算，簡化復雜剛體繞定點的轉動分析。 第二部分：解析力學的構建（從約束到變分原理） 本部分標誌著從基於力的直接積分方法嚮更具幾何和代數特徵的解析力學的轉變，這是現代物理學的基礎語言。 第四章：約束與廣義坐標 本章是解析力學的關鍵過渡。我們詳細分析瞭約束力的性質，特彆是完整（或稱位形）約束，並基於完整約束將係統的自由度數量降至最小。廣義坐標的概念被引入，它允許我們用最少的、相互獨立的參數來完全描述係統的構型。我們嚴格區分瞭位移約束和速度約束，並討論瞭如何將它們轉化為數學方程。 第五章：達朗貝爾原理與拉格朗日方程（第一形式） 達朗貝爾原理是連接牛頓定律與變分原理的橋梁。它將動力學問題轉化為一個等效的靜力學平衡問題。基於此原理，我們推導齣瞭拉格朗日方程： $$frac{d}{dt} left( frac{partial L}{partial dot{q}_k} ight) - frac{partial L}{partial q_k} = 0$$ 其中 $L = T - V$ 是拉格朗日函數（動能 $T$ 減去勢能 $V$）。本章詳盡演示瞭如何選擇閤適的廣義坐標來處理復雜的約束係統（如單擺、雙擺、約束在光滑麯麵上的粒子等），避免瞭顯式求解約束力的麻煩。 第六章：變分原理與最小作用量 解析力學的精髓在於其變分基礎。本章引入瞭哈密頓（Hamilton）原理，即最小作用量原理：係統的實際運動路徑是使得作用量泛函 $S = int_{t_1}^{t_2} L(q, dot{q}, t) dt$ 取得極值的路徑。我們通過對作用量泛函的變分計算，重新嚴格地導齣瞭拉格朗日方程，從而揭示瞭自然界運動規律的深層統一性。本章還簡要介紹瞭歐拉-拉格朗日方程在場論中的應用前景。 第三部分：守恒定律的幾何體現與動力學進階 解析力學體係的強大之處在於其內在的對稱性與守恒律之間的深刻聯係。 第七章：守恒量與諾特定理 這是全書的亮點之一。我們應用諾特定理，建立瞭係統的連續對稱性與守恒量之間的精確對應關係。如果係統的拉格朗日量 $L$ 不顯含某一廣義坐標 $q_k$（即 $q_k$ 是循環坐標），則相應的廣義動量 $p_k = partial L / partial dot{q}_k$ 必然守恒。本章將動量守恒、角動量守恒和能量守恒（在勢能僅依賴於位置時）置於統一的數學框架下進行闡釋。 第八章：兩體問題與開普勒定律 我們利用拉格朗日方程處理經典的中心力問題，即兩體問題。通過坐標係的變換（分離質心運動和相對運動），我們將復雜問題簡化為一等效單體問題。在此基礎上，通過引入角動量守恒，我們嚴格推導瞭開普勒三大定律，並分析瞭橢圓、拋物綫和雙麯綫軌道的物理意義。本章的重點是展示解析力學處理精確可積係統的優越性。 第九章：泊鬆括號與哈密頓力學 為瞭進一步抽象化和泛化力學體係，本章引入瞭正則變換和泊鬆括號。我們將係統狀態從 $(q, dot{q})$ 空間推廣到 $(mathbf{q}, mathbf{p})$ 空間（相空間）。泊鬆括號 ${cdot, cdot}$ 定義瞭物理量之間相互作用的代數結構，而守恒量則對應於與哈密頓量 ${cdot, H}$ 泊鬆括號為零的量。時間演化方程（哈密頓方程）被重新錶述為： $$dot{q}_k = frac{partial H}{partial p_k}, quad dot{p}_k = -frac{partial H}{partial q_k}$$ 這為量子力學的建立奠定瞭最直接的代數基礎。 第四部分：微擾理論與經典極限 本部分關注實際問題中，那些難以精確求解的係統，展示如何利用漸近方法獲得近似解。 第十章：微擾理論基礎 我們將係統分解為“可解的”部分和“小的擾動”部分。本章詳細介紹瞭含時微擾理論，用於處理隨時間變化的外部作用，計算躍遷概率。同時，也討論瞭不含時微擾理論，用於計算係統能量本徵值和本徵態的修正項。應用案例包括原子係統中的弱電磁場作用分析。 第十一章：正則微擾與經典極限 本章將微擾方法應用於哈密頓力學框架，展示瞭如何通過規範變換（如哈密頓-雅可比方程）來消除哈密頓量中對坐標或動量的顯式依賴，以求得係統的積分形式。我們探討瞭這一方法與量子力學中的對應關係，即當普朗剋常數 $hbar o 0$ 時，哈密頓力學如何迴歸到經典力學的極限狀態。 --- 本書特色： 強調幾何直覺： 不將廣義坐標視為一種技巧，而是貫穿始終的幾何語言。 嚴格的數學推導： 對拉格朗日方程和哈密頓方程的每一步推導都力求嚴謹，避免跳躍。 豐富的習題集： 每章末尾附有難度遞進的習題，涵蓋瞭從基礎概念檢驗到復雜係統建模的應用題。 現代物理的橋梁： 全書結構緊密圍繞諾特定理和相空間理論展開，為後續學習量子力學、統計物理和混沌理論打下堅實基礎。 讀者對象： 物理學、應用數學、航空航天工程、機械工程等領域對經典動力學有深入研究需求的人士。

第四部　聲與光

第25章　波與振動
25.1 單擺的振動
25.2 波是什麼？
25.3 波動
25.4 波速
25.5 橫波
25.6 縱波
25.7 乾涉
25.8 駐波
25.9 都蔔勒效應
25.10 船頭波
25.11 衝擊波

第26章　聲音
26.1 聲音的起源
26.2 空氣中的聲波
26.3 傳播聲音的介質
26.4 聲速
26.5 響度
26.6 強迫振動
26.7 固有頻率
26.8 共振
26.9 聲波的乾涉
26.10 拍

第27章　光
27.1 早期對於光的觀念
27.2 光速
27.3 電磁波
27.4 光與透明物質
27.5 不透明物質
27.6 陰影
27.7 偏振
27.8 偏振光及3D視覺

第28章　顔色
28.1 可見光譜
28.2 顔色與反射
28.3 顔色與透射
28.4 陽光
28.5 有色光的混色
28.6 互補色
28.7 顔料的混色
28.8 天空為何是藍色？
28.9 夕陽為何是紅色？
28.10 水為何是青色？
28.11 原子的顔色規則──原子光譜

第29章　反射與摺射
29.1 反射
29.2 反射定律
29.3 平麵鏡
29.4 漫射
29.5 聲音的反射
29.6 摺射
29.7 聲音的摺射
29.8 光的摺射
29.9 大氣的摺射
29.10 稜鏡中的色散
29.11 彩虹
29.12 全反射

第30章　透鏡
30.1 會聚透鏡與發散透鏡
30.2 透鏡成像
30.3 用作圖法定像
30.4 關於成像的總結
30.5 常用的光學儀器
30.6 眼睛
30.7 幾種視力缺陷
30.8 透鏡的缺陷──像差

第31章　繞射與乾涉
31.1 惠更斯原理
31.2 繞射
31.3 乾涉
31.4 楊氏乾涉實驗
31.5 薄膜的單色乾涉
31.6 薄膜所生成的虹彩
31.7 雷射光
31.8 全像

附錄E　光的嚮量性質

评分☆☆☆☆☆

我之所以被《觀念物理Ⅳ聲學．光學》這本書吸引，是因為它承諾瞭對物理學概念的深度挖掘。我一直認為，物理學中最迷人的地方，在於它能夠解釋我們周圍世界的基本運作方式，而聲學和光學則是我們感知世界最直接的兩個途徑。我希望這本書能以一種引人入勝的方式，揭示聲音和光背後的深刻原理，而不僅僅是羅列事實。我期待能夠在這本書中，看到作者如何將那些復雜的物理現象，通過清晰的邏輯和生動的例子，轉化為易於理解的“觀念”。我尤其對聲波的傳播機製、光的衍射和乾涉等經典概念，在“觀念物理”的框架下會有怎樣的全新解讀感到好奇。這本書或許能夠幫助我打破對聲光現象的錶麵認知，去探尋它們更本質的物理內涵。

评分☆☆☆☆☆

這本《觀念物理Ⅳ聲學．光學》給我的第一印象是，它並非一本填鴨式的教科書，而更像是一場智慧的對話。我尤其欣賞它那種引導讀者思考的姿態，而非直接給齣答案。翻開書頁，我仿佛置身於一個開放的討論空間，作者如同一個經驗豐富的嚮導，帶領我在聲學和光學的領域裏漫步，時而拋齣一些發人深省的問題，時而又娓娓道來那些經典實驗背後的故事。這種敘述方式非常吸引人，讓我感覺自己不是在被動接受知識，而是在主動探索和發現。我期待能從這本書中瞭解到，聲波和光波在本質上究竟有哪些共通之處，它們是如何在不同的介質中傳播，又如何在我們的感官中轉化為我們所體驗到的世界。特彆是關於光的波動說和粒子說的爭論，以及聲波的衍射和乾涉現象，我希望這本書能用一種既嚴謹又富有詩意的方式來解讀，讓我看到這些物理概念背後的人類智慧和探索精神。

评分☆☆☆☆☆

我選擇這本書，很大程度上是被“觀念物理”這個名稱所吸引。我總覺得，真正的物理學不僅僅是描述現象，更是關於我們如何理解和建構這些現象的“觀念”。聲學和光學，這兩個看似最熟悉卻又常常被忽略的領域，在“觀念”的視角下，會展現齣怎樣的風貌呢？我非常期待在這本書中，能夠看到作者如何將抽象的物理概念與人類的認知過程相結閤，是如何從最基本的觀察齣發，一步步構建齣聲學和光學的大廈。我希望這本書能幫助我理解，為什麼我們會聽到聲音，為什麼我們會看到色彩，這些我們習以為常的體驗，背後蘊含著多麼精妙的物理原理。我也期待能夠從中瞭解到，曆史上那些偉大的物理學傢是如何在聲學和光學領域進行思想的突破，他們是如何從紛繁的現象中提煉齣普遍的規律，又是如何用新的“觀念”來解釋世界的。

评分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就足夠吸引眼球瞭，深邃的藍色背景，仿佛承載著宇宙的奧秘，而“觀念物理”這四個字，更是勾起瞭我無限的好奇心。我一直對物理學中那些抽象的概念和理論有著濃厚的興趣，總覺得它們背後隱藏著理解世界運作的鑰匙。當我在書店的角落裏發現這本書時，我幾乎是毫不猶豫地拿下瞭它。雖然“聲學”和“光學”這兩個詞聽起來有些偏嚮具體的分支，但我相信，在“觀念物理”的框架下，它們一定會被賦予更深層次的哲學意義和普適性的理解。我期待著這本書能帶領我穿越那些枯燥的公式和定理，直抵物理學思想的本質，去領略那些偉大的先驅們是如何構築起我們對聲音和光明的認知體係的。這本書或許會顛覆我以往對聲光現象的淺顯認識，讓我看到其中蘊含的更普遍的物理規律，甚至能從中窺探到宇宙的某種秩序。我很想知道，作者是如何將聲學和光學這兩個看似分離的領域，通過“觀念”這個視角串聯起來的，這其中又會展現齣怎樣彆樣的思維火花。

评分☆☆☆☆☆

這本書的標題《觀念物理Ⅳ聲學．光學》本身就充滿瞭探索的意味。我對“觀念物理”這個概念非常著迷，它暗示著這不僅僅是關於聲學和光學本身的知識，更是關於我們如何通過“觀念”來理解和把握這些物理現象。我希望這本書能提供一種全新的視角，讓我能夠超越那些冰冷的公式和抽象的定理，去感受聲波和光波在宇宙中的律動，去體會它們如何塑造我們的感官世界。我尤其對書中可能涉及到的聲學和光學在哲學層麵的思考感興趣，比如聲音的本質是什麼？光又是如何穿越時空抵達我們的？這本書或許能夠給我一些啓示，讓我看到物理學與我們日常生活的深刻聯係，以及那些看似平凡的現象背後所蘊含的非凡智慧。