這四堂課是《費曼物理學講義》最精彩的遺珠,40年來從未出版過。
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一些求學的態度和方法。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。這些就是費曼自己認為「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 著
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 著
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 著
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。
章節試閱
第1章 必須先知道的數學知識
1-1 複習課介紹1
這三堂同學們可以選擇要不要出席的課將會很枯燥,原因是它們只是炒冷飯而已,內容以前都講過,完全沒有增加新的材料。所以我看到有這麼多人來聽課覺得非常意外。老實說,我今天倒是希望沒什麼人出現,那麼這幾節課就可以省去了。
我們之所以在這時候把課程暫緩下來,目的是要給你們時間去思考事情,去回味前此在課堂上聽到的種種。我這話也許聽起來很奇怪,其實這是學物理最有效的方法。到教室來聽我替你複習並不是個好主意,比較好的辦法是你自己去想辦法複習。所以我要勸告你——只要你還沒有太跟不上我們的課,還沒有完全搞不清楚狀況,以致於對一切都感到困惑——最好忘掉我這幾堂複習課,回去自己摸索,在不先釘住某一個特定方法去苦讀的情況下,試著從課堂上聽到過的東西中,找出你認為很有趣的部分。
你若是自己挑選一個有趣的問題去玩弄:它可以是某樣你聽到時覺得完全陌生不懂的事物,或是懂得少許皮毛、卻希望能做進一步分析的,或是你對它已有相當程度的瞭解,但想利用它弄點什麼花樣等等——到頭來你會發現,不但學習效率比來聽我講複習課要好得不成比例、學習過程遠為輕鬆愉快,得到的結果也圓滿得多。由學習者主動去思考是學習任何事物的最佳方式。
我們到目前為止已經上了的課是一門嶄新的課程,而這門新課程是設計來解答一個、我們認為一直存在的問題:那就是沒有人知道應該如何教好物理學,或是如何教育人——這是一件事實,如果你不喜歡目前的教學方式,那也是頂自然的事情。事實上,要教到讓每個人滿意是不可能的任務:數百年,甚至更久以來,人們就一直想找出最好的教育方法,顯然至今尚未研究出來。所以如果有人對這門課感覺不滿意,那也不是什麼特別的事。
我們在加州理工學院經常變動課程,目的當然是希望能夠改進這些課程,今年我們又再一次更動了大一物理。往年對這門課的一大抱怨是,班上成績頂尖的學生認為,課程中整個力學部分單調乏味,他們得花費很多時間去啃教科書、做練習題、上複習課、準備應付考試,以致於根本沒有時間去想任何其他事情。課程沒有趣味,也沒有說明和近代物理的關係等等。我們這次的新課程設計就以去除這些缺點為目標,也就是說在某種程度上,幫助那些程度較好的學生,讓課程內容更為有趣,並且在可能範圍內,盡量跟宇宙間其他事物接軌。
另一方面,這樣的教學方式也有其缺點,它會令許多學生搞不清楚他們該學的重點,或者這麼說罷,由於內容牽涉得太多太廣,學生不可能全部學完,而且因為他們還沒有聰明到可以看出哪些部分合乎他們的興趣,可以把注意力集中於其上。
因此,我今天上台幫助的對象,是那些覺得這門課讓他非常困惑、非常厭煩、坐立難安的人,也就是那些不知該念哪些部分的人。至於其他並不覺得自己一頭霧水的人,實在沒有理由呆在教室裡。所以我現在給這些人機會離開教室……2
或者我真的是全然失敗,因為我讓每個人都跟不上了!(或許你們留在這裡只是想找點樂子而已。)
1-2 加州理工學院之牛後
好啦,我就想像你們之中有一位走進我的辦公室並說:「費曼,我聽了你講的每一堂課,參加了期中考,現在正在做練習題,但我一題也做不出來。我想我是班上最差的學生,我不知道該怎麼辦才好。」
你想我會對他說什麼呢?
首先我會指出:進到加州理工學院上大學在某些方面固然有利,但也有其他的缺點。那些有利的方面也許你也曾知道,只是現在忘掉了;它們主要是跟這所學校具有極佳的聲譽有關,此美譽可不是浪得的虛名。這所學校提供了非常好的課程(我不知道我們這門課在別人心目中的分量如何,當然我對它有自己的看法)。從加州理工學院畢業的人,無論他們是進入工業界、或是從事研究工作等等,總是會告訴別人說他們在這兒受到了非常好的教育,而當他們拿自己跟其他學校的畢業生比較時(雖然許多其他學校也是非常的優秀),他們從來不會覺得自己的本事不如人、或是少學了些什麼。他們永遠覺得自己進了最好的學校。而這些當然是個優點。
但是進來這裡也有缺點:加州理工學院校譽這麼好,幾乎所有高中畢業班的第一、二名都申請要來這裡。美國高中何其多,而全部高中應屆畢業的男學生3 中最優秀的都來申請。我們研擬出一套選拔辦法,包括了各式各樣的測驗,所以每年我們通知來報到的新生,都是從最優秀中選出來的頂尖者,所以,在座的同學都是從各校經過精挑細選才來到這兒。但是同時我們也發現了一個非常嚴重而且無解的問題:那就是不論我們在審核入學申請時如何細心的挑選、如何有耐性的分析,在新生入學之後卻有件大家都不願見到的事情發生:永遠都有一半左右的學生,成績低於班上的平均!
(成績落後的同學,該如何面對這種情形?請見第1章裡費曼老師的開示)
1 原注:(原文版的)所有注腳皆來自作者(費曼除外)、編輯、或其他參與者。
2 原注:但是這時候並沒有人起身離開。
3 原注:1961年時,加州理工學院只收男生。
第1章 必須先知道的數學知識
1-1 複習課介紹1
這三堂同學們可以選擇要不要出席的課將會很枯燥,原因是它們只是炒冷飯而已,內容以前都講過,完全沒有增加新的材料。所以我看到有這麼多人來聽課覺得非常意外。老實說,我今天倒是希望沒什麼人出現,那麼這幾節課就可以省去了。
我們之所以在這時候把課程暫緩下來,目的是要給你們時間去思考事情,去回味前此在課堂上聽到的種種。我這話也許聽起來很奇怪,其實這是學物理最有效的方法。到教室來聽我替你複習並不是個好主意,比較好的辦法是你自己去想辦法複習。所以我要勸告你——只要你還...
目錄
費曼物理學訣竅費曼物理學講義解題附錄目錄前言-雷頓序-高利伯山德士回憶錄:費曼物理學講義的由來-山德士第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3-9p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
費曼物理學訣竅費曼物理學講義解題附錄目錄前言-雷頓序-高利伯山德士回憶錄:費曼物理學講義的由來-山德士第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...