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費曼物理學訣竅:費曼物理學講義解題附錄(增訂版) Feynman’s Tips on Physics:A Problem-Solving Supplement to The Feynman Lectures on Physics

費曼物理學訣竅:費曼物理學講義解題附錄(增訂版)

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9789863202752
理查.費曼、麥可.高利伯、拉夫.雷頓/著;高涌泉/審訂
師明睿編者: 天下文化
2013年9月05日
110.00  元
HK$ 93.5
省下 $16.5
 
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規格:軟皮精裝 / 288頁 / 15.1*22.8cm / 普級 / 單色印刷 / 初版
出版地:台灣




自然科普 > 物理/化學 > 概論















這四堂課是《費曼物理學講義》最精彩的遺珠,
增訂版新增三篇對作者群的訪談。

  1961年,費曼在加州理工學院所開的大一物理課已接近第一學期的尾聲,他並沒打算再趕進度,而是花了三堂課和學生談談求學的態度和方法。

  他向學生開示了:怎麼面對進來一流學校之後,不再名列前茅的事實;要學好物理,必須先學會哪些數學知識和工具;更重要的是,費曼還示範給學生看——

  如何抓物理學講義的重點,如何解物理習題!
  接下來是一堂談到「慣性導引」的課。
  這些就是費曼認為「不幸被遺漏掉」的四堂課。

  本書最後還精選了一些當初為《費曼物理學講義》而設計的習題,特別是與基礎觀念與力學有關的題目,「在數字或分析上都很單純,但在內涵上卻是深刻且有啟發性」。

  這本《費曼物理學訣竅》內容更基礎,主題更實用,從中學生到研究生都會受用無窮。

  我們可以從書中感受到,費曼確實是一位難得的好老師。

作者簡介

理查.費曼(Richard P. Feynman)

  1918年,費曼誕生於紐約市布魯克林區,1942年,從普林斯頓大學取得博士學位。第二次世界大戰期間,他曾在美國設於新墨西哥州的羅沙拉摩斯(Los Alamos)實驗室服務,參與研發原子彈的曼哈坦計畫(Manhattan Project),當時雖然年紀很輕,卻已經是計畫中的重要角色。隨後,他任教於康乃爾大學以及加州理工學院。1965年,由於費曼在量子電動力學的成就,與朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)、許溫格(Julian Schwinger)兩人,共同獲得該年度的諾貝爾物理獎。

  費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題,同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論。之後,他跟葛爾曼(Murray Gell-Mann)合作,研究弱交互作用(例如貝他衰變),做了許多奠基工作。後來數年,費曼成為發展夸克(quark)理論的關鍵人物,提出了在高能量質子對撞過程中的成子(parton)模型。

  在這些重大成就之外,費曼博士把一些基本的新計算技術跟記法,介紹給了物理學。其中包括幾乎無所不在的費曼圖,因而改變了基礎物理觀念化與計算的過程,成為可能是近代科學史上,最膾炙人口的一種表述方式。

  費曼是一位非常能幹有為的教育家,在他一生所獲多得數不清的各式各樣獎賞中,他特別珍惜1972年獲得的厄司特杏壇獎章(Oersted Medal for Teaching)。《費曼物理學講義》一書最初發行於1963年,當時有位《科學美國人》雜誌的書評稱該書為「……真是難啃,但是非常營養,尤其是風味絕佳,為二十五年來僅見!是教師及最優秀入門學生的指南。」為了增長一般民眾的物理知識,費曼博士寫了一本《物理之美》(The Character of Physical Law)以及《量子電動力學》(Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter)。他還寫下一些專精的論著,成為後來物理學研究者與學生的標準參考資料跟教科書。

  費曼是一位建設性的公眾人物。幾乎家喻戶曉他參與「挑戰者號」太空梭失事調查工作的事跡,尤其是他當眾證明橡皮墊圈不耐低溫的那一幕,是一場非常優雅的即席實驗示範,而他所使用的道具不過冰水一杯!比較鮮為人知的事例,是費曼博士於1960年代中,在加州大學課程委員會任上所做的努力,他非常不滿當時教科書之庸俗平凡。

  僅僅重複敘說費曼一生中,於科學上與教育上的無數成就,並不足以說明他這個人的特色。正如任何讀過他即使最技術性著作的人都知道,他的作品裡外都散發著他鮮活跟多采多姿的個性。在物理學家正務之餘,費曼也曾把時間花在修理收音機、開保險櫃、畫畫、跳舞、表演森巴小鼓、甚至試圖翻譯馬雅古文明的象形文字上。他永遠對周圍的世界感到好奇,是位一切都要積極嘗試的模範人物。

  費曼於1988年2月15日在洛杉磯與世長辭。

麥可.高利伯(Michael A. Gottlieb)

  電腦程式設計師,與拉夫.雷頓合作讓《費曼物理學講義》遺漏的四堂課重新問世。

拉夫.雷頓(Ralph Leighton)

  傳記作家,也是《費曼物理學講義》作者之一羅伯.雷頓(Robert Leighton)的兒子。

譯者簡介

師明睿

  1940年生於四川成都,九歲時隨父母來台。省立新竹中學及國立台灣大學化學系畢業,赴美進修後,獲得普度大學(Purdue University)生物化學博士學位。畢業後去加拿大定居,一度擔任賽門佛瑞哲大學(Simon Fraser University)生物系講師。隨後棄筆務農,致力於推廣洋菇產業。1992年回國之後,先後在衛生署預防醫學研究所、中研院生醫所及生農所籌備處從事研究,參與台灣疫苗政策評估規劃、日本腦炎新款疫苗研發,以及中草藥金線蓮藥理之動物研究。

  暇時嘗從事自由翻譯工作。譯作有《費曼的6堂Easy物理課》、《費曼的6堂Easy相對論》、《觀念物理III:物質三態.熱學》、《夸克仙蹤》、《微積分之屠龍寶刀》、《微積分之倚天寶劍》、《看漫畫,學遺傳》、《複製人的迷思》、《費曼的主張》、《萬物簡史I~IV》、《費曼物理學講義I》(第1、2冊)、《費曼物理學訣竅》(皆為天下文化出版)。

審訂者簡介

高涌泉

  加州大學柏克萊分校物理博士。現任臺灣大學物理學系教授,專長為場論與粒子物理,認為量子力學是最奇妙的學問。喜歡柏拉圖、達爾文、愛因斯坦、費曼、魯迅的作品,也喜歡看各式各樣的電影與棒球比賽。除了學術論文以外,著有《另一種鼓聲:科學筆記》、《武士與旅人:續科學筆記》。譯作有《費曼物理學講義III》(第1~3冊)。



再版序 新增三篇專訪/高利伯、雷頓
前言 不巧的「紅皮書」/雷頓
初版序 重建四堂費曼物理課/高利伯
誌謝

山德士回憶錄《費曼物理學講義》的由來/山德士
專訪之一 費曼訪談
專訪之二 羅伯.雷頓訪談
專訪之三 羅卻.沃革特訪談

第1章 必須先知道的數學知識
複習課第一講
1-1 複習課介紹
1-2 加州理工學院之牛後
1-3 學物理所需的數學
1-4 微分
1-5 積分
1-6 向量
1-7 向量的微分
1-8 線積分
1-9 一個簡單的例子
1-10 三角法

第2章 定律及直覺
複習課第二講
2-1 物理定律
2-2 非相對論性近似
2-3 力作用下的運動
2-4 力與其位能
2-5 從範例中學習物理
2-6 實地瞭解物理學
2-7 機器設計上的一個問題
2-8 地球的脫離速度
其他種解法
A利用幾何方法求出重物的加速度
B利用三角學方法求出重物的加速度
C利用力矩與角動量求出重物所受的力

第3章 問題與解答
複習課第三講
3-1 衛星運動
3-2 原子核的發現
3-3 基本火箭方程式
3-4 數值積分
3-5 化學火箭
3-6 離子推進火箭
3-7 光子推進火箭
3-8 靜電質子束致偏器
3-9  介子質量的測定

第4章 動力學效應及其應用
4-1 示範陀螺儀
4-2 定向陀螺儀
4-3 人工地平儀
4-4 穩定船舶用陀螺儀
4-5 迴轉羅盤
4-6 陀螺儀在設計與製造上的改進
4-7 加速度計
4-8 一套完整的導航系統
4-9 地球旋轉的效應
4-10 旋轉的圓盤
4-11 地球的章動
4-12 天文學上的角動量
4-13 量子力學上的角動量
4-14 演講之後

第5章 精選習題
5-1 能量守恆,靜力學
5-2 刻卜勒定律與重力
5-3 運動學
5-4 牛頓定律
5-5 動量守恆
5-6 向量
5-7 三維空間中的二體非相對論性碰撞
5-8 力
5-9 位能與場
5-10 單位與尺寸
5-11 相對論性能量與動量
5-12 二維轉動,中心質量
5-13 角動量,轉動慣量
5-14 三維轉動
習題答案

圖片來源
中英、英中對照索引



前言

不朽的「紅皮書」/雷頓

  1962年,偏遠的喜馬拉雅山區的中印未定邊界上發生了糾紛,鬧到雙方互相開火射擊,之後形成對峙,雙方一觸即發的緊張情勢持續了多年。有座孤零零設立在高坡頂上的印度軍隊前哨站,站內有一名被徵召入伍的士兵,叫做伯拉蘇不拉曼寧(Ramaswamy Balasubramanian),透過一具雙筒望遠鏡觀察對面駐守在西藏境內的人民解放軍的動靜,他看到對方也在用望遠鏡朝著這邊觀望。出乎伯拉蘇不拉曼寧跟他同袍們的意外,那些解放軍居然拿著紅色封面的袖珍版《毛語錄》,西方人多稱之為「毛澤東的小紅書」,高高舉在手中,面向著印度前哨站揮舞示威。

  伯拉蘇不拉曼寧當時常趁著閒暇自修物理學,他很快的就對解放軍的嘲弄覺得很厭煩,於是有一天,他有備而來的到前哨站服勤,在解放軍循例拿起小紅書揮舞時,他跟另兩位袍澤馬上各自抓起一本他帶去的三大冊,同樣是大紅封面的《費曼物理學講義》,高舉過頭,向對方揮舞。

  有一天,我收到當事人伯拉蘇不拉曼寧先生寄來的一封信。過去許多年裡面,我收到數百封類似的信件,都是描述費曼對人們的生命所產生的長遠衝擊。他在描述了於中印邊界所發生的「紅皮書」事件之後,寫道:「二十年之後,究竟是誰的紅皮書,仍然還有人在閱讀呢?」

  他說得真是一針見血。《費曼物理學講義》從發行以來,已經超過了四十寒暑,現在仍然有許多人在讀,並且繼續啟發全球各地的讀者,我相信甚至連西藏地區也不例外。

  這兒我得特別記上一筆:數年前我在一個派對上遇到麥可.高利伯,當天派對主人利用電腦螢幕,展示了圖瓦1 喉音歌手於現場表演所唱歌聲的諧泛音(harmonic overtone),這類活動讓舊金山附近的生活有趣了起來。高利伯原本是數學科班出身,並對物理學非常有興趣,於是我建議他閱讀《費曼物理學講義》。大約一年後,他特地騰出了六個月的時間,專心一志的把這套講義從頭到尾仔細的讀過一遍。正如高利伯所寫的本書〈初版序〉中所描述,他那一讀,最後促成了本書,跟《費曼物理學講義》新千禧年版的誕生。

  1 中文版注:圖瓦(Tuva)位於外蒙古西北方,在俄蒙之間,原屬中國版圖,舊時名稱為唐努烏粱海。

  所以我很高興現在全世界對於物理有興趣的人,可以研讀一套更正確、更完整的《費曼物理學講義》,而且還有本冊書做為補充讀本。看來《費曼物理學講義》這套不朽巨著在未來數十年,仍將繼續教導與啟發學生,無論他們是在紐約曼哈坦鬧區或是在喜馬拉雅高山上。

拉夫.雷頓(Ralph Leighton)
2005年5月11日

初版序

重建四堂費曼物理課/高利伯

  我生平第一次聽到理查.費曼跟拉夫.雷頓的名字是在1986年,透過他們很有娛樂性的一本書《別鬧了,費曼先生!》。1 十三年後,我在一個派對上遇到拉夫,我們一見如故,成了好朋友。接下來的一年裡,我們合作設計了一種紀念費曼的夢想郵票。2 其間拉夫不斷給我一些費曼寫的或是有關費曼事蹟的書籍叫我去看,甚至包括了一本《費曼計算學講義》3 (由於我是個電腦程式設計師)。書中對於量子計算的討論,讓我的眼界為之大開,但是由於我以往未學過量子力學,讀起來非常吃力,不太能瞭解其中論證的過程。

  為此拉夫建議我去讀讀《費曼物理學講義》的第III卷,也就是量子力學的部分,我聽了他的話,卻發現該冊的頭兩章,來自第I卷的第37、38章,所以,我老得回頭去翻第I卷,尋找一些名詞的出處跟意義,而不能直接就將第III卷一章接著一章讀。於是我決定要從頭到尾把這整套書讀一遍,我決心要學一些量子力學!

  但過了一陣子,原先想要學量子力學的目的卻成了次要的事,原因是我開始從頭閱讀後,很快就被費曼的世界所吸引,覺得根本用不著為了任何原因,學習物理的本身就趣味無窮,也就是說,我是完全給迷住啦!在差不多讀完第I卷的前半部時,我暫時擱下程式設計工作,跑到中美洲哥斯大黎加的鄉下去隱居了六個月,以便能把全部時間都花在讀這套講義上。

  在閉門讀書的這段日子裡,我每天下午自修一堂新課,並把遇到的物理問題弄清楚,次日早晨,我把昨天的功課再拿出來複習、校對一遍。那時我人雖在國外,但一直以電子郵件跟拉夫保持聯繫。我告訴他,我發現第I卷偶爾也有一些錯誤,他鼓勵我把那些錯誤記錄下來。這件事不麻煩,因為第I卷的錯誤非常少。然而當我繼續閱讀第II、III卷時,我失望的發現,錯誤愈來愈多。最後,我從整套講義裡面一共整理出170多個錯誤。拉夫跟我都相當驚訝:怎麼可能有這麼多的錯誤,在過去這麼長的時間裡都被人忽略了?我們決定在下一次改版時,要設法把它們改正過來。

  同時,我在費曼所寫的自序中,注意到一小段頗堪玩味的話:「至於書中沒有專門探討如何解題的演講,是因為課程中本來就有演習課,雖然我的確在第一年課程裡用了三堂課來講解如何解題,但它們沒有被收錄進書內。另外還有一堂課談到慣性導引,照理應該是放在旋轉系統那一講的後面,卻不幸被遺漏掉了。」

  於是我就想,何不重建那四次演講的紀錄?如果內容有趣的話,可以提交加州理工學院跟艾迪生.維斯理出版社,讓他們發行一套更為完整、而錯誤都已更正的新版本。

  但是我必須先找出那幾回失蹤的演講,而我人還在哥斯大黎加!那幾次演講的筆記藏身於拉夫父親的辦公室或加州理工學院的檔案室裡某個地方,拉夫運用了一些推理邏輯跟偵查的本事,總算把那幾次演講的筆記找了出來。另外他還找到了那些演講的錄音帶。等我回到加州後,為了查閱早年版本的勘誤表而到加州理工學院檔案室去,卻碰巧在一個裝著各種底片的盒子裡面,意外發現了(早以為弄丟了的)這幾次演講課堂上黑板的相片。

  費曼遺產的繼承人慷慨允許我們使用這些找到的資料,再加上當初《費曼物理學講義》的三位作者中,如今碩果僅存的山德士(Matthew Sands)惠予一些有用的耳提面命,於是拉夫跟我合作,把複習課三個講次中的第二講重新整理出來後當作樣本,把它和我的那份勘誤表一起呈送給加州理工學院跟艾迪生.維斯理出版社。

  艾迪生.維斯理很興奮的接受了我們的想法,但是加州理工學院的最初反應有些疑慮。於是拉夫跑去請當時在加州理工學院擔任理論物理費曼講座教授的索恩(Kip Thorne)幫忙,終於索恩出面斡旋,取得了各有關方面的共識,索恩還很慷慨的自願花時間監督我們的工作。由於加州理工學院院方基於歷史因素的考量,不願意更動現存的那三卷講義,於是拉夫建議讓遺漏的四次演講單獨成冊,這就是本書的起源,本書將和一套全新的《費曼物理學講義》修訂版(即2010年的千禧年版)一併出版,此修訂版會把我以及其他讀者所發現的錯誤都更正過來。

  山德士回憶錄

  在我們致力於重建那四堂演講的過程中,拉夫和我遇到了許多問題,我們覺得非常幸運有山德士教授來解答我們的問題。當年要出版《費曼物理學講義》這套書的大膽構想就是山德士首先提出來的。我們驚訝的發現,《費曼物理學講義》起源的故事還鮮為人知。因而我們體認到這次安排出書,提供了一個難得的機會,對此遺憾可以略做一些彌補。山德士教授慨然應允為我們這本附錄寫一篇有關《費曼物理學講義》由來的回憶錄。

  四堂演講

  我們從山德士得知:1961年12月,費曼在加州理工學院所開的大一物理課已接近第一學期4 的尾聲,參與課程設計的教授們決定,在期末考之前幾天,還要把新材料教給學生,實在對學生太不公平。所以在考前一週,費曼講了三堂複習課,學生可以自己選擇要不要出席,這三堂課不會提到任何新題材,這幾堂課的目的是要幫助班上學習上發生了困難的同學,所以重點在於瞭解跟解決物理問題的各種技巧。

  費曼在課堂上所舉的範例中,有一些有重要的歷史意義,包括拉塞福(Ernest Rutherford)發現原子核,及測定π介子(pi meson)質量的故事。
  費曼並以他特有對人性的洞察力,討論了另一類問題的答案,這一種問題對他大一班上起碼一半的學生來說,和物理問題是一樣重要的:那就是當你發現自己的分數比全班平均低的時候,心情上應如何自處。

  第四堂演講題目為〈動力學效應及其應用〉,是在寒假結束、學生剛回到學校之後講的,就是第二學期剛開始的時候。依照原先的安排,它應該是第21堂課,目的是要在第18到20堂課、一連三堂有關各種轉動的艱深理論探討之後,讓大家喘一口氣,上一堂「純屬娛樂」的課,讓學生看看一些來自轉動的有趣應用跟現象。該演講大半都在討論1962年時、尚屬相當新穎的科技:實用慣性導引。剩下的時間則是討論來自轉動的一些自然現象,而且這部分提供了一個線索可以告訴我們,為什麼費曼要說《費曼物理學講義》沒有收錄此一講次是件「很不幸」的事情。

  演講之後

  每堂課當費曼演講完畢之後,通常他都會讓麥克風開著。這個習慣提供給我們相當獨特的機會,去聆聽費曼如何跟大學部學生互動的實情。這本書裡舉了一個例子是〈動力學效應及其應用〉演講之後的錄音,這段錄音特別值得注意,原因是它討論了1962年的實時計算(real-time computing)在方法上從類比方法到數位方法的最初轉型。

  習題

  在計畫進行之中,拉夫重新聯繫了他父親生前好友兼同事的沃革特(Rochus Vogt),沃革特很慈藹的給了我們他的許可,重行出版《普通物理學習題》(Exercises in Introductory Physics)中的習題與解答,這本書還是1960年代,由羅伯.雷頓(Robert Leighton)和沃革特特地為了《費曼物理學講義》而編著的。由於篇幅有限,我只選擇了第I卷第1章到第20章的習題(也就是〈動力學效應及其應用〉之前的課程素材),我偏好選擇——套用羅伯.雷頓的說法——「在數字或分析上都很單純,但在內涵上卻是深刻且有啟發性」的題目。

  網站

  如果讀者們希望知道更多有關本書跟《費曼物理學講義》的訊息,歡迎光臨www.feynmanlectures.info網站。

高利伯(Michael Gottlieb)
於哥斯大黎加的普拉雅塔瑪林度
mg@feynmanlectures.info

  1 中文版注:《別鬧了,費曼先生!》(Surely You’re Joking, Mr. Feynman!),中文版由吳程遠翻譯,天下文化出版。

  2 原注:我們設計的那個郵票在「回到圖瓦未來」(Back TUVA Future)那張音樂CD所附的說明上可以見到,CD主要內容是圖瓦喉音歌唱大師歐達(Ondar)的表演,不過費曼在裡頭客串打鼓。該張CD在1999年由華納公司發行,Warner Bros. 9 47131-2。

  3 原注:《費曼計算學講義》(Feynman Lectures on Computation),費曼著,海伊(Anthony J.G. Hey)與亞倫(Robin W. Allen)編輯,1996年由艾迪生.維斯理(Addison-Wesley)出版,ISBN 0-201-48991-0。(中文版由蔡雅芝、郭西川翻譯,科大文化出版。)

  4 原注:加州理工學院每一學年度分為三個學期,第一學期是從九月下旬開始到十二月上旬,第二學期是從一月上旬到三月上旬,而第三學期則是從三月下旬到六月上旬。




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