费曼物理学诀窍：费曼物理学讲义解题附录(增订版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Richard P. Feynman、Michael A. Gottlieb、Ralph Leighton

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这四堂课是《费曼物理学讲义》最精彩的遗珠，
增订版新增三篇对作者群的访谈。

　　1961年，费曼在加州理工学院所开的大一物理课已接近第一学期的尾声，他并没打算再赶进度，而是花了三堂课和学生谈谈求学的态度和方法。

　　他向学生开示了：怎么面对进来一流学校之后，不再名列前茅的事实；要学好物理，必须先学会哪些数学知识和工具；更重要的是，费曼还示范给学生看——

　　如何抓物理学讲义的重点，如何解物理习题！
　　接下来是一堂谈到「惯性导引」的课。
　　这些就是费曼认为「不幸被遗漏掉」的四堂课。

　　本书最后还精选了一些当初为《费曼物理学讲义》而设计的习题，特别是与基础观念与力学有关的题目，「在数字或分析上都很单纯，但在内涵上却是深刻且有启发性」。

　　这本《费曼物理学诀窍》内容更基础，主题更实用，从中学生到研究生都会受用无穷。

　　我们可以从书中感受到，费曼确实是一位难得的好老师。

作者简介

理查．费曼（Richard P. Feynman）

　　1918年，费曼诞生于纽约市布鲁克林区，1942年，从普林斯顿大学取得博士学位。第二次世界大战期间，他曾在美国设于新墨西哥州的罗沙拉摩斯（Los Alamos）实验室服务，参与研发原子弹的曼哈坦计画（Manhattan Project），当时虽然年纪很轻，却已经是计画中的重要角色。随后，他任教于康乃尔大学以及加州理工学院。1965年，由于费曼在量子电动力学的成就，与朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、许温格（Julian Schwinger）两人，共同获得该年度的诺贝尔物理奖。

　　费曼博士为量子电动力学理论解决了不少问题，同时他首创了一个解释液态氦超流体现象的数学理论。之后，他跟葛尔曼（Murray Gell-Mann）合作，研究弱交互作用（例如贝他衰变），做了许多奠基工作。后来数年，费曼成为发展夸克（quark）理论的关键人物，提出了在高能量质子对撞过程中的成子（parton）模型。

　　在这些重大成就之外，费曼博士把一些基本的新计算技术跟记法，介绍给了物理学。其中包括几乎无所不在的费曼图，因而改变了基础物理观念化与计算的过程，成为可能是近代科学史上，最脍炙人口的一种表述方式。

　　费曼是一位非常能干有为的教育家，在他一生所获多得数不清的各式各样奖赏中，他特别珍惜1972年获得的厄司特杏坛奖章（Oersted Medal for Teaching）。《费曼物理学讲义》一书最初发行于1963年，当时有位《科学美国人》杂志的书评称该书为「……真是难啃，但是非常营养，尤其是风味绝佳，为二十五年来仅见！是教师及最优秀入门学生的指南。」为了增长一般民众的物理知识，费曼博士写了一本《物理之美》（The Character of Physical Law）以及《量子电动力学》（Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter）。他还写下一些专精的论着，成为后来物理学研究者与学生的标准参考资料跟教科书。

　　费曼是一位建设性的公众人物。几乎家喻户晓他参与「挑战者号」太空梭失事调查工作的事迹，尤其是他当众证明橡皮垫圈不耐低温的那一幕，是一场非常优雅的即席实验示范，而他所使用的道具不过冰水一杯！比较鲜为人知的事例，是费曼博士于1960年代中，在加州大学课程委员会任上所做的努力，他非常不满当时教科书之庸俗平凡。

　　仅仅重复叙说费曼一生中，于科学上与教育上的无数成就，并不足以说明他这个人的特色。正如任何读过他即使最技术性着作的人都知道，他的作品里外都散发着他鲜活跟多采多姿的个性。在物理学家正务之余，费曼也曾把时间花在修理收音机、开保险柜、画画、跳舞、表演森巴小鼓、甚至试图翻译马雅古文明的象形文字上。他永远对周围的世界感到好奇，是位一切都要积极尝试的模范人物。

　　费曼于1988年2月15日在洛杉矶与世长辞。

麦可．高利伯（Michael A. Gottlieb）

　　电脑程式设计师，与拉夫．雷顿合作让《费曼物理学讲义》遗漏的四堂课重新问世。

拉夫．雷顿（Ralph Leighton）

　　传记作家，也是《费曼物理学讲义》作者之一罗伯．雷顿（Robert Leighton）的儿子。

译者简介

师明睿

　　1940年生于四川成都，九岁时随父母来台。省立新竹中学及国立台湾大学化学系毕业，赴美进修后，获得普度大学（Purdue University）生物化学博士学位。毕业后去加拿大定居，一度担任赛门佛瑞哲大学（Simon Fraser University）生物系讲师。随后弃笔务农，致力于推广洋菇产业。1992年回国之后，先后在卫生署预防医学研究所、中研院生医所及生农所筹备处从事研究，参与台湾疫苗政策评估规划、日本脑炎新款疫苗研发，以及中草药金线莲药理之动物研究。

　　暇时尝从事自由翻译工作。译作有《费曼的6堂Easy物理课》、《费曼的6堂Easy相对论》、《观念物理III：物质三态．热学》、《夸克仙踪》、《微积分之屠龙宝刀》、《微积分之倚天宝剑》、《看漫画，学遗传》、《复制人的迷思》、《费曼的主张》、《万物简史I~IV》、《费曼物理学讲义I》（第1、2册）、《费曼物理学诀窍》（皆为天下文化出版）。

审订者简介

高涌泉

　　加州大学柏克莱分校物理博士。现任台湾大学物理学系教授，专长为场论与粒子物理，认为量子力学是最奇妙的学问。喜欢柏拉图、达尔文、爱因斯坦、费曼、鲁迅的作品，也喜欢看各式各样的电影与棒球比赛。除了学术论文以外，着有《另一种鼓声：科学笔记》、《武士与旅人：续科学笔记》。译作有《费曼物理学讲义III》（第1~3册）。

再版序 新增三篇专访∕高利伯、雷顿
前言　不巧的「红皮书」∕雷顿
初版序　重建四堂费曼物理课∕高利伯
志谢

山德士回忆录《费曼物理学讲义》的由来∕山德士
专访之一　费曼访谈
专访之二　罗伯．雷顿访谈
专访之三　罗却．沃革特访谈

第1章　必须先知道的数学知识
复习课第一讲
1-1　复习课介绍
1-2　加州理工学院之牛后
1-3　学物理所需的数学
1-4　微分
1-5　积分
1-6　向量
1-7　向量的微分
1-8　线积分
1-9　一个简单的例子
1-10　三角法

第2章　定律及直觉
复习课第二讲
2-1　物理定律
2-2　非相对论性近似
2-3　力作用下的运动
2-4　力与其位能
2-5　从范例中学习物理
2-6　实地了解物理学
2-7　机器设计上的一个问题
2-8　地球的脱离速度
其他种解法
A利用几何方法求出重物的加速度
B利用三角学方法求出重物的加速度
C利用力矩与角动量求出重物所受的力

第3章　问题与解答
复习课第三讲
3-1　卫星运动
3-2　原子核的发现
3-3　基本火箭方程式
3-4　数值积分
3-5　化学火箭
3-6　离子推进火箭
3-7　光子推进火箭
3-8　静电质子束致偏器
3-9　 介子质量的测定

第4章　动力学效应及其应用
4-1　示范陀螺仪
4-2　定向陀螺仪
4-3　人工地平仪
4-4　稳定船舶用陀螺仪
4-5　回转罗盘
4-6　陀螺仪在设计与制造上的改进
4-7　加速度计
4-8　一套完整的导航系统
4-9　地球旋转的效应
4-10　旋转的圆盘
4-11　地球的章动
4-12　天文学上的角动量
4-13　量子力学上的角动量
4-14　演讲之后

第5章　精选习题
5-1　能量守恆，静力学
5-2　刻卜勒定律与重力
5-3　运动学
5-4　牛顿定律
5-5　动量守恆
5-6　向量
5-7　三维空间中的二体非相对论性碰撞
5-8　力
5-9　位能与场
5-10　单位与尺寸
5-11　相对论性能量与动量
5-12　二维转动，中心质量
5-13　角动量，转动惯量
5-14　三维转动
习题答案

图片来源
中英、英中对照索引

前言

不朽的「红皮书」∕雷顿

　　1962年，偏远的喜马拉雅山区的中印未定边界上发生了纠纷，闹到双方互相开火射击，之后形成对峙，双方一触即发的紧张情势持续了多年。有座孤零零设立在高坡顶上的印度军队前哨站，站内有一名被征召入伍的士兵，叫做伯拉苏不拉曼宁（Ramaswamy Balasubramanian），透过一具双筒望远镜观察对面驻守在西藏境内的人民解放军的动静，他看到对方也在用望远镜朝着这边观望。出乎伯拉苏不拉曼宁跟他同袍们的意外，那些解放军居然拿着红色封面的袖珍版《毛语录》，西方人多称之为「毛泽东的小红书」，高高举在手中，面向着印度前哨站挥舞示威。

　　伯拉苏不拉曼宁当时常趁着闲暇自修物理学，他很快的就对解放军的嘲弄觉得很厌烦，于是有一天，他有备而来的到前哨站服勤，在解放军循例拿起小红书挥舞时，他跟另两位袍泽马上各自抓起一本他带去的三大册，同样是大红封面的《费曼物理学讲义》，高举过头，向对方挥舞。

　　有一天，我收到当事人伯拉苏不拉曼宁先生寄来的一封信。过去许多年里面，我收到数百封类似的信件，都是描述费曼对人们的生命所产生的长远冲击。他在描述了于中印边界所发生的「红皮书」事件之后，写道：「二十年之后，究竟是谁的红皮书，仍然还有人在阅读呢？」

　　他说得真是一针见血。《费曼物理学讲义》从发行以来，已经超过了四十寒暑，现在仍然有许多人在读，并且继续启发全球各地的读者，我相信甚至连西藏地区也不例外。

　　这儿我得特别记上一笔：数年前我在一个派对上遇到麦可．高利伯，当天派对主人利用电脑萤幕，展示了图瓦1 喉音歌手于现场表演所唱歌声的谐泛音（harmonic overtone），这类活动让旧金山附近的生活有趣了起来。高利伯原本是数学科班出身，并对物理学非常有兴趣，于是我建议他阅读《费曼物理学讲义》。大约一年后，他特地腾出了六个月的时间，专心一志的把这套讲义从头到尾仔细的读过一遍。正如高利伯所写的本书〈初版序〉中所描述，他那一读，最后促成了本书，跟《费曼物理学讲义》新千禧年版的诞生。

　　1 中文版注：图瓦（Tuva）位于外蒙古西北方，在俄蒙之间，原属中国版图，旧时名称为唐努乌粱海。

　　所以我很高兴现在全世界对于物理有兴趣的人，可以研读一套更正确、更完整的《费曼物理学讲义》，而且还有本册书做为补充读本。看来《费曼物理学讲义》这套不朽巨着在未来数十年，仍将继续教导与启发学生，无论他们是在纽约曼哈坦闹区或是在喜马拉雅高山上。

拉夫．雷顿（Ralph Leighton）
2005年5月11日

初版序

重建四堂费曼物理课∕高利伯

　　我生平第一次听到理查．费曼跟拉夫．雷顿的名字是在1986年，透过他们很有娱乐性的一本书《别闹了，费曼先生！》。1 十三年后，我在一个派对上遇到拉夫，我们一见如故，成了好朋友。接下来的一年里，我们合作设计了一种纪念费曼的梦想邮票。2 其间拉夫不断给我一些费曼写的或是有关费曼事蹟的书籍叫我去看，甚至包括了一本《费曼计算学讲义》3 （由于我是个电脑程式设计师）。书中对于量子计算的讨论，让我的眼界为之大开，但是由于我以往未学过量子力学，读起来非常吃力，不太能了解其中论证的过程。

　　为此拉夫建议我去读读《费曼物理学讲义》的第III卷，也就是量子力学的部分，我听了他的话，却发现该册的头两章，来自第I卷的第37、38章，所以，我老得回头去翻第I卷，寻找一些名词的出处跟意义，而不能直接就将第III卷一章接着一章读。于是我决定要从头到尾把这整套书读一遍，我决心要学一些量子力学！

　　但过了一阵子，原先想要学量子力学的目的却成了次要的事，原因是我开始从头阅读后，很快就被费曼的世界所吸引，觉得根本用不着为了任何原因，学习物理的本身就趣味无穷，也就是说，我是完全给迷住啦！在差不多读完第I卷的前半部时，我暂时搁下程式设计工作，跑到中美洲哥斯大黎加的乡下去隐居了六个月，以便能把全部时间都花在读这套讲义上。

　　在闭门读书的这段日子里，我每天下午自修一堂新课，并把遇到的物理问题弄清楚，次日早晨，我把昨天的功课再拿出来复习、校对一遍。那时我人虽在国外，但一直以电子邮件跟拉夫保持联系。我告诉他，我发现第I卷偶尔也有一些错误，他鼓励我把那些错误记录下来。这件事不麻烦，因为第I卷的错误非常少。然而当我继续阅读第II、III卷时，我失望的发现，错误愈来愈多。最后，我从整套讲义里面一共整理出170多个错误。拉夫跟我都相当惊讶：怎么可能有这么多的错误，在过去这么长的时间里都被人忽略了？我们决定在下一次改版时，要设法把它们改正过来。

　　同时，我在费曼所写的自序中，注意到一小段颇堪玩味的话：「至于书中没有专门探讨如何解题的演讲，是因为课程中本来就有演习课，虽然我的确在第一年课程里用了三堂课来讲解如何解题，但它们没有被收录进书内。另外还有一堂课谈到惯性导引，照理应该是放在旋转系统那一讲的后面，却不幸被遗漏掉了。」

　　于是我就想，何不重建那四次演讲的纪录？如果内容有趣的话，可以提交加州理工学院跟艾迪生．维斯理出版社，让他们发行一套更为完整、而错误都已更正的新版本。

　　但是我必须先找出那几回失踪的演讲，而我人还在哥斯大黎加！那几次演讲的笔记藏身于拉夫父亲的办公室或加州理工学院的档案室里某个地方，拉夫运用了一些推理逻辑跟侦查的本事，总算把那几次演讲的笔记找了出来。另外他还找到了那些演讲的录音带。等我回到加州后，为了查阅早年版本的勘误表而到加州理工学院档案室去，却碰巧在一个装着各种底片的盒子里面，意外发现了（早以为弄丢了的）这几次演讲课堂上黑板的相片。

　　费曼遗产的继承人慷慨允许我们使用这些找到的资料，再加上当初《费曼物理学讲义》的三位作者中，如今硕果仅存的山德士（Matthew Sands）惠予一些有用的耳提面命，于是拉夫跟我合作，把复习课三个讲次中的第二讲重新整理出来后当作样本，把它和我的那份勘误表一起呈送给加州理工学院跟艾迪生．维斯理出版社。

　　艾迪生．维斯理很兴奋的接受了我们的想法，但是加州理工学院的最初反应有些疑虑。于是拉夫跑去请当时在加州理工学院担任理论物理费曼讲座教授的索恩（Kip Thorne）帮忙，终于索恩出面斡旋，取得了各有关方面的共识，索恩还很慷慨的自愿花时间监督我们的工作。由于加州理工学院院方基于历史因素的考量，不愿意更动现存的那三卷讲义，于是拉夫建议让遗漏的四次演讲单独成册，这就是本书的起源，本书将和一套全新的《费曼物理学讲义》修订版（即2010年的千禧年版）一併出版，此修订版会把我以及其他读者所发现的错误都更正过来。

　　山德士回忆录

　　在我们致力于重建那四堂演讲的过程中，拉夫和我遇到了许多问题，我们觉得非常幸运有山德士教授来解答我们的问题。当年要出版《费曼物理学讲义》这套书的大胆构想就是山德士首先提出来的。我们惊讶的发现，《费曼物理学讲义》起源的故事还鲜为人知。因而我们体认到这次安排出书，提供了一个难得的机会，对此遗憾可以略做一些弥补。山德士教授慨然应允为我们这本附录写一篇有关《费曼物理学讲义》由来的回忆录。

　　四堂演讲

　　我们从山德士得知：1961年12月，费曼在加州理工学院所开的大一物理课已接近第一学期4 的尾声，参与课程设计的教授们决定，在期末考之前几天，还要把新材料教给学生，实在对学生太不公平。所以在考前一週，费曼讲了三堂复习课，学生可以自己选择要不要出席，这三堂课不会提到任何新题材，这几堂课的目的是要帮助班上学习上发生了困难的同学，所以重点在于了解跟解决物理问题的各种技巧。

　　费曼在课堂上所举的范例中，有一些有重要的历史意义，包括拉塞福（Ernest Rutherford）发现原子核，及测定π介子（pi meson）质量的故事。
　　费曼并以他特有对人性的洞察力，讨论了另一类问题的答案，这一种问题对他大一班上起码一半的学生来说，和物理问题是一样重要的：那就是当你发现自己的分数比全班平均低的时候，心情上应如何自处。

　　第四堂演讲题目为〈动力学效应及其应用〉，是在寒假结束、学生刚回到学校之后讲的，就是第二学期刚开始的时候。依照原先的安排，它应该是第21堂课，目的是要在第18到20堂课、一连三堂有关各种转动的艰深理论探讨之后，让大家喘一口气，上一堂「纯属娱乐」的课，让学生看看一些来自转动的有趣应用跟现象。该演讲大半都在讨论1962年时、尚属相当新颖的科技：实用惯性导引。剩下的时间则是讨论来自转动的一些自然现象，而且这部分提供了一个线索可以告诉我们，为什么费曼要说《费曼物理学讲义》没有收录此一讲次是件「很不幸」的事情。

　　演讲之后

　　每堂课当费曼演讲完毕之后，通常他都会让麦克风开着。这个习惯提供给我们相当独特的机会，去聆听费曼如何跟大学部学生互动的实情。这本书里举了一个例子是〈动力学效应及其应用〉演讲之后的录音，这段录音特别值得注意，原因是它讨论了1962年的实时计算（real-time computing）在方法上从类比方法到数位方法的最初转型。

　　习题

　　在计画进行之中，拉夫重新联系了他父亲生前好友兼同事的沃革特（Rochus Vogt），沃革特很慈蔼的给了我们他的许可，重行出版《普通物理学习题》（Exercises in Introductory Physics）中的习题与解答，这本书还是1960年代，由罗伯．雷顿（Robert Leighton）和沃革特特地为了《费曼物理学讲义》而编着的。由于篇幅有限，我只选择了第I卷第1章到第20章的习题（也就是〈动力学效应及其应用〉之前的课程素材），我偏好选择——套用罗伯．雷顿的说法——「在数字或分析上都很单纯，但在内涵上却是深刻且有启发性」的题目。

　　网站

　　如果读者们希望知道更多有关本书跟《费曼物理学讲义》的讯息，欢迎光临www.feynmanlectures.info网站。

高利伯（Michael Gottlieb）
于哥斯大黎加的普拉雅塔玛林度
mg@feynmanlectures.info

　　1 中文版注：《别闹了，费曼先生！》（Surely You're Joking, Mr. Feynman!），中文版由吴程远翻译，天下文化出版。

　　2 原注：我们设计的那个邮票在「回到图瓦未来」（Back TUVA Future）那张音乐CD所附的说明上可以见到，CD主要内容是图瓦喉音歌唱大师欧达（Ondar）的表演，不过费曼在里头客串打鼓。该张CD在1999年由华纳公司发行，Warner Bros. 9 47131-2。

　　3 原注：《费曼计算学讲义》（Feynman Lectures on Computation），费曼着，海伊（Anthony J.G. Hey）与亚伦（Robin W. Allen）编辑，1996年由艾迪生．维斯理（Addison-Wesley）出版，ISBN 0-201-48991-0。（中文版由蔡雅芝、郭西川翻译，科大文化出版。）

　　4 原注：加州理工学院每一学年度分为三个学期，第一学期是从九月下旬开始到十二月上旬，第二学期是从一月上旬到三月上旬，而第三学期则是从三月下旬到六月上旬。

1-1 复习课介绍1

这三堂同学们可以选择要不要出席的课将会很枯燥，原因是它们只是炒冷饭而已，内容以前都讲过，完全没有增加新的材料。所以我看到有这么多人来听课觉得非常意外。老实说，我今天倒是希望没什么人出现，那么这几节课就可以省去了。

我们之所以在这时候把课程暂缓下来，目的是要给你们时间去思考事情，去回味前此在课堂上听到的种种。我这话也许听起来很奇怪，其实这是学物理最有效的方法。到教室来听我替你复习并不是个好主意，比较好的办法是你自己去想办法复习。所以我要劝告你——只要你还没有太跟不上我们的课，还没有完全搞不清楚状况，以致于对一切都感到困惑——最好忘掉我这几堂复习课，回去自己摸索，在不先钉住某一个特定方法去苦读的情况下，试着从课堂上听到过的东西中，找出你认为很有趣的部分。

你若是自己挑选一个有趣的问题去玩弄：它可以是某样你听到时觉得完全陌生不懂的事物，或是懂得少许皮毛、却希望能做进一步分析的，或是你对它已有相当程度的了解，但想利用它弄点什么花样等等——到头来你会发现，不但学习效率比来听我讲复习课要好得不成比例、学习过程远为轻松愉快，得到的结果也圆满得多。由学习者主动去思考是学习任何事物的最佳方式。

我们到目前为止已经上了的课是一门崭新的课程，而这门新课程是设计来解答一个、我们认为一直存在的问题：那就是没有人知道应该如何教好物理学，或是如何教育人——这是一件事实，如果你不喜欢目前的教学方式，那也是顶自然的事情。事实上，要教到让每个人满意是不可能的任务：数百年，甚至更久以来，人们就一直想找出最好的教育方法，显然至今尚未研究出来。所以如果有人对这门课感觉不满意，那也不是什么特别的事。

我们在加州理工学院经常变动课程，目的当然是希望能够改进这些课程，今年我们又再一次更动了大一物理。往年对这门课的一大抱怨是，班上成绩顶尖的学生认为，课程中整个力学部分单调乏味，他们得花费很多时间去啃教科书、做练习题、上复习课、准备应付考试，以致于根本没有时间去想任何其他事情。课程没有趣味，也没有说明和近代物理的关系等等。我们这次的新课程设计就以去除这些缺点为目标，也就是说在某种程度上，帮助那些程度较好的学生，让课程内容更为有趣，并且在可能范围内，尽量跟宇宙间其他事物接轨。