前言

物理背後有“1個”故事！

「公式絕對不能死記硬背！」

這是我在每學期的物理課上告訴大學準考生們第一句話。

為什麼要用這句話當開頭？因為在唸物理學的時候，很多人都對物理抱有「總之就是背公式，然後把數字帶進公式計算就對了」的印象。

日本的高中物理一共會出現100個左右的公式。

不明就裡地去背誦100個意義不明的數字和符號排列，就跟背誦100串電話號碼是一樣的意思。

這種學習方式，簡直就是苦行。

物理學雖然存在很多俗稱公式的數學算式和專門術語，但它們只不過是長在「物理大樹」上的「葉子」罷了。

學習物理最重要的，是理解這棵「物理大樹」的「樹幹」。而所謂的「樹幹」，則是公式誕生的背景，也就是「故事」。

一旦理解了背後的故事，即使不去刻意死記硬背，你也能夠自己把公式推導出來（自己從頭寫出算式、導出解答）。

那麼，物理學究竟是個什麼樣的故事呢？

這點我們會在本篇詳細告訴大家。高中物理涉及的內容，在物理學中被歸類在「古典物理學」。

而古典物理學始於牛頓在17世紀發現的運動方程式（牛頓力學）。

當時的科學家以牛頓的力學概念為基礎，透過不斷地試誤，一一解開了物體的運動、熱、波、電磁力等物理現象的原理。但在19世紀末，科學家們遇上了許多牛頓力學無法解釋的物理現象。

於是古典物理學迎來終點，進入了大學物理才會教授的量子論時代。這便是高中物理背後的故事大綱。

本書配合各物理學單元的解說，盡可能地穿插介紹各個科學家的名字和相關公式的背景，最大程度地描繪出背後的故事。

我認為這種作法，既可以幫助讀者認識物理學的基礎，讓本書發揮參考書的功能，還能同時讓讀者品味到由名震歷史的科學天才們全心全力建立的壯闊物理學史故事，兼具歷史科普讀物的角色，成為一本不同以往的物理入門書。

本書的書名有一段文字是「讀過一遍就絕對忘不了」。

我相信多數拿起這本書的人，一定都在心想「哪有可能讀過一遍就記住那麼多公式！」。

但是，物理學其實是一個根本不需要背誦的科目。

在學生時代，以為物理就是一門背公式的科目，為此飽受折磨的人；還有被物理學出現的大量數學算式嚇破膽，從此敬而遠之的文組人，如果你是這兩類人，那我更希望你能閱讀本書。

我相信讀完本書，你對物理這門科目的印象一定會有180度的轉變。

池末翔太

前言

物理背後有“1個”故事！

「公式絕對不能死記硬背！」

這是我在每學期的物理課上告訴大學準考生們第一句話。

為什麼要用這句話當開頭？因為在唸物理學的時候，很多人都對物理抱有「總之就是背公式，然後把數字帶進公式計算就對了」的印象。

日本的高中物理一共會出現100個左右的公式。

不明就裡地去背誦100個意義不明的數字和符號排列，就跟背誦100串電話號碼是一樣的意思。

這種學習方式，簡直就是苦行。

物理學雖然存在很多俗稱公式的數學算式和專門術語，但它們只不過是長在「物理大樹」上的「葉子」罷了。

學習物理最重...

[前言]
物理背後有「1個」故事！　2

[課外時間①]
物理完全不用硬背公式！　10
[課外時間②]
物理要用“故事”學！　12
[課外時間③]
只有這些！學物理需要的數學知識　14

第1章 力學
力學的9成是運動方程式　18
[位置、速度、加速度]
力學的目的是認識物體「何時」在「何地」　20
[等加速度運動]
用「v－t圖」解讀「3條數學式」的意義　24
[相對運動]
求「兩個移動物體」的「速度」和「位置」　28
[運動方程式]
表示「力」和「加速度」之因果關係的運動方程式　30
[作用、反作用力]
至少需要兩個物體才能產生力　34
[力的種類]
接觸力就是原子、分子的電磁力　36
[斜面上的物體運動]
用力的「分解」來思考斜面運動　37
[力的平衡]
力的平衡就是「加速度為0」的運動方程式　40
[摩擦力]
把摩擦力拆成3條向量來理解　42
[彈力]
計算彈力大小的「虎克定律」　46
[慣性力]
不屬於重力、接觸力的假想力「慣性力」　48
[功與能／衝量與動量①]
從運動方程式得到的2種資訊　50
[功與能①]
功就是「力的距離總和」　52
[功與能②]
功與能量存在什麼樣的關係？　54
[衝量與動量①]
衝量就是「力的時間總和」　57
[衝量與動量②]
衝量與動量有什麼關係？　59
[衝量與動量②]
應該什麼時候使用能量或動量？　61
[位能]
把重力的做功當成能量看待的「位能」　65
[力學能守恆定律]
「力學能」是動能和位能的總和　67
[動量守恆定律]
碰撞前後的動量的總和相同　69
[恢復係數]
用碰撞前後的相對速度差求「恢復係數」　72
[等速圓周運動]
等速之圓周運動的速率和角速度關係　74
[向心運動方程式]
加速度被限制的圓周運動的運動方程式　79
[離心力]
「向心力」和「離心力」是不同種力　80
[簡諧運動①]
必然變成簡諧運動的加速度型態　82
[簡諧運動②]
簡諧運動的代表例・水平彈簧振子　86
[萬有引力定律①]
有質量的物體之間必然存在引力作用　88
[萬有引力定律②]
如何計算萬有引力的位能　92
[宇宙速度]
投球的速度要多快才能繞地球1圈？　93
[克卜勒定律]
天體運行的三大定律「克卜勒定律」　98
[力矩①]
使物體旋轉的作用「力矩」　100
[力矩②]
決定力矩的兩個要素　102
[力矩③]
3股力的作用線必然交於1點　107
[重心]
「數學的重心」和「物理學的重心」相同　109

第2章 熱力學
從「力學途徑」解釋熱現象的熱力學　114
[熱力學是什麼？]
「牛頓力學」和「機率統計論」的融合　116
[熱和溫度]
力學的溫度——「絕對溫度」　118
[比熱和熱容量]
使「物體」的溫度上升1[K]所需的熱量　122
[理想氣體]
從「分子的運動」來探究熱現象　124
[狀態方程式]
由波以耳定律和查理定律形成的「狀態方程式」　126
[內能]
求理想氣體的動能總和　128
[熱力學第一定律]
表達能量出入的「熱力學第一定律」　130
[氣體的變化①]
從P－V圖追蹤「氣體的變化」　132
[氣體的變化②]
最具代表性的4種氣體變化過程　134
[氣體分子運動論]
用「粒子的運動」來理解氣體的壓力　139

第3章 波動
將波的現象理解為「微小粒子運動」的波動現象　146
[波動是什麼？]
因「分子振動」產生的波動現象　148
[波的種類]
「波動現象」可分為2個大類　150
[橫波和縱波]
依「振動方向」分類波　151
[波的特徵]
描述波特徵的6個物理量　153
[波的基本公式]
用數學式表達波動現象的「波的基本公式」　155
[反射波和駐波]
波與波相撞會怎麼樣？　156
[駐波]
由兩個方向相反但波形相同的波形成的「駐波」　159
[自然頻率]
宇宙萬物都有的振動　161
[弦的振動]
計算在弦上傳遞的波的振動　162
[氣柱的振動]
管中的空氣分子振動叫「氣柱振動」　165
[都卜勒效應]
為什麼救護車駛過時的鳴笛聲會變化？　169

第4章 電磁學
古典物理學中誕生了「場」這個新視點　178
[電磁學是什麼？]
用「粒子的運動」解釋電磁力　180
[電荷]
用數學式表達電荷之間作用力的「庫侖定律」　182
[電場]
表現「電荷運動」的空間「電場」　184
[電位和電壓]
「電位」就是電的位能　186
[電磁場]
描述電磁場四大定律的「馬克士威方程組」　189
[「電力線」和「高斯定律」]
以定量方式說明「電力線」的「高斯定律」　193
[金屬]
金屬內的電子如何移動？　196
[電容器]
電容器和電容量的關係　198
[電流]
電荷的大行軍「電流」　202
[電阻的定義]
用電阻和電流求電壓的「歐姆定律」　204
[電力]
電流通過時產生的熱：「電功率」　206
[迴路]
計算迴路之電流、電壓的「迴路方程式」　208
[磁場]
電荷在磁場受到的作用力「勞侖茲力」　212
[磁場的形成]
表示磁場狀態的「右手定則」　216
[電磁感應]
磁場變化可以產生「電場」　220

第5章 核子物理學
「古典物理學」到「現代物理學」的轉換期　226
[核子物理學＝舊量子論]
研究原子等級微觀世界的「舊量子論」　228
[光①]
電子從金屬內飛出的「光電效應」　229
[光②]
把光當成粒子思考的「光子假說」　231
[二象性]
光的性質是波？還是粒子？　235
[電子]
顯示電子波動性的物質波（德布羅意波）　236
[原子①]
原子模型的歷史　237
[原子②]
波耳的氫原子模型　239
[質量與能量的等價關係]
其實，質量就是能量　242
[原子核的結構]
由質子、中子組成的原子核　243
[鍵能]
把核子拆開後，總質量會改變　246
[原子核的衰變]
因原子核衰變而放出的「輻射」　248
[衰變的情形]
機率性發生的原子核衰變　251

結語　254
參考文獻　255

[前言]
物理背後有「1個」故事！　2

[課外時間①]
物理完全不用硬背公式！　10
[課外時間②]
物理要用“故事”學！　12
[課外時間③]
只有這些！學物理需要的數學知識　14

第1章 力學
力學的9成是運動方程式　18
[位置、速度、加速度]
力學的目的是認識物體「何時」在「何地」　20
[等加速度運動]
用「v－t圖」解讀「3條數學式」的意義　24
[相對運動]
求「兩個移動物體」的「速度」和「位置」　28
[運動方程式]
表示「力」和「加速度」之因果關係的運動方程式　30
[作用、反作用力]
至少需要兩個物體才能產生力　...