3小時讀通牛頓力學

前言

第一章    力學的第一步
1-1    力學、力與運動的關係
1-2    力是使物體形狀及運動狀態的原因
1-3    慣性與質量：物體運動的傾向
1-4    決定物體重量的要素  重量與重力
1-5    我們生活在重力與慣性之中  重力場與慣性座標系
1-6    書桌上的書所受到的力－力的作用，作用力與反作用力
1-7    摩擦力是在物體接觸面之間產生的相對運動
1-8    描述物體的運動－質點與座標系
1-9    速率與速度  純量與向量
1-10    測量的規定  物理量與單位
1-11    跟孩子玩投球的秘訣  拋球運動
1-12    向量的表示法與運用
1-13    力與力矩平衡  施力在剛體上
1-14    作功使物體移動
1-15    能量是作功的能力  能量的形式和能量守恆
1-16    改變物體運動狀態的動量  動量守恆定律40
專欄    日常生活中，到處都是力學實驗室

第二章    物體的運動
2-1    賽跑運動  基本的平面運動
2-2    速度的國際標準SI單位  速度的單位與換算
2-3    等速度運動的範例
2-4    圖像化解題  等速度運動
2-5    另類的解題思考  如何活用作圖
2-6    汽車發動、行駛到停止  加速度運動
2-7    以等加速度行駛的車子  等加速度運動公式
2-8    等加速度運動的計算，範例(1)  公式解題
2-9    等加速度運動的計算，範例(2)  作圖解題
2-10  重力作用的垂直向下運動  自由落體
2-11  鉛直下拋‧鉛質上拋      鉛直方向的加速度運動
2-12  鉛直拋體運動的練習  練習運用公式
2-13  徒手開根號  直式開方法
2-14  向上斜拋的球如何運動？    斜向拋射運動
2-15  認識三角函數      三角函數基本介紹
2-16  仰角45度可拋球最遠    斜向拋射範例解說
2-17  雲霄飛車的速度  斜面的運動
專欄 速度與我們的感受

第三章    力與運動
3-1    自然界的四大基本作用力  抵抗力來自電磁力
3-2    力的各種作用  力的種類
3-3    力的合成與分解  向量作圖
3-4    作用於同一點之力的平衡  合力為零
3-5    重力‧重量的單位  牛頓還是公斤？
3-6    靜者恆靜，動者恆動  牛頓第一運動定律
3-7    質量與加速度  牛頓第二運動定律
3-8    作用力與反作用力，非慣性系統的運動  牛頓第三運動定律
3-9    探討電梯的運動  慣性力與運動方程式
3-10  力與運動：電梯與重物  電梯的力學問題
3-11  接觸面上阻礙運動的力  摩擦力
3-12  推車的運動  非慣性座標系的摩擦力
3-13  斜面上物體的運動  斜面與摩擦
3-14  拔河的勝負關鍵在於摩擦力  摩擦力的探討
3-15  探討圓形軌道上的運動  等速圓周運動
3-16  圓周運動的作用力  向心力
3-17  轉彎時身體感受到的力  離心力
3-18  使物體旋轉的能力  力矩
3-19  尋找我們身邊的力矩    簡單的計算範例
3-20  物體受力的力平衡  力的平衡與重心
3-21  推動箱子，但不可倒下  重點在箱子的底面積
3-22  力矩的作用    力偶與力矩
專欄    力矩與 Torque

第四章    功與能量
4-1    實際體驗功的定義  力學的功
4-2    功的廚房實驗  力與功
4-3    作功不輕鬆  動滑輪與組合滑輪
4-4    利用三角形作功的智慧  斜面的作功
4-5    功與能量的關係
4-6    古典力學的物體能量    力學能
4-7    彈簧的功與能  彈性能
4-8    重力為保存能量的力    力學守恆定律
4-9    雲霄飛車的運動    運用能量守恆定律
4-10  鞦韆的擺動    單擺的能量守恆定律
4-11  摩擦力消耗能量  非保存力
4-12  力學能與熱能  作功與熱
4-14  熱量守恆  熱力學第一定律
4-15  能量轉換與腳踏車煞車  熱與作功
4-16  能量大小與作功速率  功率
4-17  差動滑車的作功  功率的計算
專欄    地下鐵軌道的節能對策

第五章    動量與衝量
5-1    動量顯示物體運動的慣性  動量守恆定律
5-2    動量與動能  功式的變形
5-3    能量的作功與衝量  計算範例
5-4    物體的碰撞與反彈  恢復係數
5-5    自由落體的反彈高度  自由落體的恢復係數
5-6    碰撞是重心接近再遠離的運動    碰撞後的速度
5-7    求碰撞後的速度  碰撞的驗證
5-8    斜向彈性碰撞  平面的碰撞
5-9    打棒球與飛機的行進  動量的思考
5-10  水與空氣的運動  流體力學
5-11  水管的水與噴射引擎  流體的動量
5-12  水道的衝擊及衝擊式水車  流體的衝擊力
5-13  流體力學的運用  上升力與下壓力

索引189
 

前言

　　本書以物理學的入門「牛頓力學」為主題，希望讀者能先將全文從頭到尾快速讀過一遍，為此特別繪製了容易閱讀的插圖。

　　力學涵蓋各種不同的領域。在本書中，將以小學至高中的理科或物理課程中所涵蓋的「力」、「能量」、「運動」等基本觀念為主。也就是稱為牛頓力學、古典力學的範疇。

　　日常生活與力學之間有著密不可分的關係。在學校裡學習力學的時間並不充足，大多都以解題結束課程。因此，想必對於一些人來說，力學就維持在似懂非懂的狀態，留下的只是艱深的印象。

　　我想要計畫寫這本書的契機，是因為我認識了一個小學四年級的女孩。編輯人員向我說明此書企劃的大約兩週前，有一個曾經閱讀同一家出版社發行之「流體力學」相關書籍的學生，打電話到我家。

　　女孩對我說，「由於春假的功課，我正在查詢『浮力』相關資料，有些問題想向您請教。」聽說女孩的住址，原來就在我過去生活圈附近，於是隔天我跟她約在她家附近的公立圖書館，在大廳角落的座位區，就這樣聊了約一個小時。

　　女孩熱衷地查詢了許多資料，事先準備的幾個問題，都很切中核心，我也盡可能地以簡單的詞句回答。

　　如果今天是在教高中生，可以列出算式，向學生說明「因為這樣，所以會浮起來」、「因為這樣，所以會沉下去」就結束了，但當時我一邊說明一邊思考，不知道是否究竟能讓小學生理解多少的情況下，對方還能完全理解我的說明，著實令我欣慰。而拿到本書的企劃案，正是我剛剛經歷過這樣的體驗沒多久的事情。

　　因此在這本書中，我會盡量避開嚴格的定義及冗長的算式，希望對於力學有困難印象的人，都能夠理解的方式，去說明與呈現。抱著這樣的期待，我提筆寫下第一章。相信各位讀者經過略讀，就可以概略性地了解本書所涵蓋的內容。

　　然而，從第二章開始，我不得不利用相當篇幅列出許多算式。這是因為力學的說明，最少篇幅的必要算式與例題，還是無法避免的。在這些算式中，我並未使用數學高程度的計算，而僅僅使用一般算術來解答問題。

　　所以，我在說明文中特別注意避開一些數學專用術語，如「把…微分、把…積分…、把…內插」等。

　　但如果實在沒有其他更好的說明方式，我還是會使用三角函數。思考三角函數讓許多人剛起步就跌倒，是令人討厭力學的元兇，因此本書於三角函數的篇幅中，特別設立了「懂了就會」的簡易部份。

　　力學中重要的向量，我不會使用向量記號F箭頭標示。不嚴格要求向量符號箭頭方向，因此使用插畫代之，不致於產生太大的困擾。

　　關於文中的名詞，參考編輯的建議，也使用讀者較易閱讀的標示方式。

　　此外，我將搬運腳踏車、搬運行李等日常生活中常接觸的現象簡化，作為力學的模型。

　　這種種的用心，都是為了能讓讀者順利從頭讀到最後，也是本書的出發期望。各位讀者讀完本書，若能感到「力學其實也不是這麼困難！」我將感到非常榮幸。

　　文末，再次感謝給我此次執筆機會，並提供諸多建言及鼓勵的科學編輯部中右文德先生，還有為了支援讀者的理解而繪製示意圖，將算式細心排版的製作人員。在此表達我由衷的感謝。