「不論是棒球賽、打電動或是團體遊戲，

若你不了解規則，任何遊戲都無趣。
你會錯過別人享受到的樂趣，
就像一般人聽不到音樂家所聽出的樂音，
或品嚐不到廚師咀嚼到的滋味。
同樣的，一個熟知大自然規則的人，
會比其他人更能欣賞大自然的美妙。
衛星依循的規則其實和投棒球的原理一樣，
若你學會了這一點，你對電視上太空人的觀點將會改變。
在了解光的原理後，你看藍天、白雲和彩虹的方式也會不同。
生命的豐富，不只在於用寬廣的視野來看世界，
更要知道我們在追尋什麼。」本書作者休伊特說道。

物理學不只是物質科學的一部分，
它可以說是所有科學的最根本基礎。
《觀念物理》的第Ⅰ冊就要從「力學」開始講起，
看看牛頓如何改變我們看待這個世界的方式；
而物理學裡最偉大的通則之一：能量守恆定律，
又是如何主宰了全人類。

可搭配銷售的書

WS201《觀念物理I》
WS202《觀念物理Ⅱ》
WS203《觀念物理Ⅲ》
WS204《觀念物理Ⅳ》
WS205《觀念物理V》
WS046《看漫畫，學物理》
WS023《費曼的6堂Easy物理課》
WS024《費曼的6堂Easy相對論》
WS015-017《物理馬戲團I-III》
CS060《物理與頭腦相遇的地方》
CS024《物理之美》
WS076《搞笑學物理》
WS090《靈魂有多重？》
WS094《物理早自習》
WS101《物理A+班（物質與能量）》
WS102《物理A+班（原子與量子）》

WS085《觀念化學I》
WS086《觀念化學II》
WS087《觀念化學III》
WS088《觀念化學IV》
WS089《觀念化學V》
WS036《觀念生物學1》
WS037《觀念生物學2》
WS071《觀念生物學3》
WS072《觀念生物學4》
WS082《怎樣解題》
WS042《微積分之屠龍寶刀》
WS043《微積分之倚天寶劍》
WS018《微積分之旅》

作者簡介

休伊特

　　高中時夢想當個拳擊手，畢業後開始學漫畫，後來從事畫戶外廣告招牌的工作。27歲才決定回到學校，在麻州羅爾技術學院就讀物理系，是班上年紀最大的學生。1964年，取得猶他州立大學科學教育與物理雙主修的碩士學位，便到舊金山城市學院開始教學生涯，直到1999年退休。1982年，休伊特獲得美國物理教師學會頒發的密立根講座獎。獲獎原因是由於他在物理教學專業上的投入，發展出許多有趣而令人激賞的教學示範，以及闡釋觀念的方式，讓很多原本不可能喜愛物理的學生，對物理產生興趣。

　　休伊特認為：教學不僅僅是工作，也不僅僅是專業，而是一種對待生命與生活的態度；因此對於當老師的人來說，盡力把教學工作做好，是非常重要的一件事。因為，不論學生有多大的熱情，老師都有能力把它澆熄；但老師也同樣也有能力去激發學生，讓他們發揮出最大的潛能。休伊特相信：學物理應該是很有趣的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。《觀念物理》這套書正是他這個信仰底下的產物之一。

譯者簡介

常雲惠

　　中國文化大學中文系畢業，國立清華大學歷史研究所科技史組肄業，紐西蘭懷卡托大學運動休閒研究所學士後文憑。曾任台灣中學國文教師與紐西蘭華語文教師。研究領域為劍道與青少年發展、休閒事業之經營與管理。英文筆譯與科學史為主要的業餘興趣。早期譯作散見於1994-1996的《世界地理雜誌》，譯有《看見心靈的角落》（書泉出版社）、《雷達英雄傳》、《霍金－前妻回憶錄》（以上二書與常雲鳳合譯，天下文化出版）。目前除專心陪女兒成長之外，並擔任紐西蘭懷卡托劍道協會會長，致力於劍道教學教案發展，翻譯與編輯劍道相關書籍。

目錄

第1章　關於科學

1.1　基礎科學——物理學
1.2　數學－—科學的語言
1.3　科學方法
1.4　科學態度
1.5　科學的假設必須是可檢驗的
1.6　科學、技術與社會
1.7　科學、人文與宗教
1.8　結語

第2章　直線運動

2.1　運動是相對的
2.2　速率
2.3　速度
2.4　加速度
2.5　自由落體：掉落的快慢
2.6　自由落體：掉落的距離
2.7　運動圖示法
2.8　空氣阻力與掉落的物體
2.9　多快、多遠、變化多快

第3章　拋體運動

3.1　向量與純量
3.2　速度向量
3.3　向量的分量
3.4　拋體運動
3.5　上拋運動
3.6　快速運動的拋體——衛星

第4章　牛頓第一運動定律──慣性

4.1　亞里斯多德的運動學說
4.2　哥白尼與運動中的地球
4.3　伽利略與運動
4.4　牛頓的慣性定律
4.5　質量——慣性的量度
4.6　淨力
4.7　平衡——淨力等於零時
4.8　力的向量加法
4.9　再談運動中的地球

第5章　牛頓第二運動定律——力與加速度

5.1　力造成加速度
5.2　質量抗拒加速度
5.3　牛頓第二運動定律
5.4　摩擦力
5.5　壓力
5.6　解析自由落體
5.7　落體與空氣阻力

第6章　牛頓第三運動定律——作用力與反作用力

6.1　力與交互作用
6.2　牛頓第三運動定律
6.3　辨別作用力與反作用力
6.4　不同質量物體的作用力與反作用力
6.5　作用力和反作用力會互相抵消嗎？
6.6　馬—車問題
6.7　作用力等於反作用力

第7章　動　量

7.1　動量
7.2　衝量改變動量
7.3　反彈
7.4　動量守恆
7.5　碰撞
7.6　動量向量

第8章　能　量

8.1　功
8.2　功率
8.3　機械能
8.4　位能
8.5　動能
8.6　能量守恆
8.7　機械
8.8　效率
8.9　生命所需的能量

序

導讀

　　別讓數學計算成為物理觀念的絆腳石
　　蔡坤憲

　　從高中開始，物理一直是最讓我頭疼的科目，卻也是帶給我最多學習樂趣的科目。

　　我想我很幸運，從一個學不太懂物理的高三學生，有機會成為國中理化與高中物理教師。幸運的地方是，我沒有因為物理是我大學聯考中成績最低的一科，而「不敢」選擇物理系，而有機會一窺物理世界的堂奧；更幸運的是，我能有機會能站在講台上，不僅和學生分享「學習」的喜悅，更有機會回過頭來，看看當初的自己，為什麼會覺得物理是那麼地令人頭疼！

　　為什麼我會覺得這本書值得推薦與翻譯？該怎麼幫本書的中文版作導讀？我想，也許從本書作者休伊特教授的生平開始，讀者會比較容易瞭解本書的特色，以及作者的用心。

　　作者生平簡介

　　本書作者於1982年，獲得美國物理教師學會頒發的密立根講座獎（Robert A. Millikan Lecture Award）。他獲獎的原因是由於，他在物理教學專業上的投入，發展出許多有趣而令人激賞的教學示範（譬如第5章的釘床示範），以及闡釋觀念的方式，讓很多原本不可能喜愛物理的學生，對物理產生興趣；此外，還有他出版的書、文章與影片，除了幫助許多學生對物理有更好的理解之外，也使得不少物理教師與教科書作者，在物理觀念的詮釋上獲得不少啟示。

　　中學時期，他的夢想是拿下全美羽量級的拳擊冠軍，他的高中導師說他：由於相當有藝術才華，所以「不需要」在學科上，下太多功夫。事實上，他的確沒有在高中之後，繼續就讀大學。在結束了拳擊手的夢想之後，他開始學習漫畫，先是在印刷廠工作，後來又轉到廣告公司，從事畫戶外廣告招牌的工作。

　　在畫廣告招牌時，受到幾位同事，以及「科學先生」弗雷斯科（Jacque Fresco，未來學家，維納斯計畫主持人）主講的大眾科學講座的影響，對科學、科技與人類社會的關係產生興趣，於是決定回到學校，在麻州的羅爾（Lowell）技術學院繼續正規教育，那年他27歲，選擇就讀於物理系，是班上年紀最大的學生。

　　他回憶，在他讀大學時，有一位高得（Raymond Gold）博士，是個非常優秀的物理老師，他的教室在學校3樓，負責教授十多位高年級學生以及研究生。而作者則和其他600多位大學新鮮人，擠在偌大的講堂，聽著授課經驗稍嫌不足、技巧稍顯生疏的老師上課。結果，這600多名學生裡，只有少數的人留下來繼續攻讀物理，然而，其他大多數的人後來都轉讀別的科系了。

　　他總認為，這樣的安排是個錯誤。優秀的老師，應該是安排去教低年級的基礎課程，而把上課技巧稍差的老師，安排去教高年級的課程。在大一那一年結束時，他便知道自己的志願，是想當個老師：想當個像高得一樣優秀的老師，想像弗雷斯科那樣，當個「Mr. Turn-on Man」，點燃學生學習科學的熱情！

　　由於當時任教那個大學的老師，至少都有碩士學位，所以，作者知道自己如果想像他們一樣，也必須攻讀碩士學位才行。大學畢業之後，作者轉往猶他州立大學，在1964年，取得科學教育與物理雙主修的碩士學位。然後，便到舊金山城市學院開始他的教學生涯，期間也在舊金山市的科學博物館，主持一些展覽教學活動。他在1999年從舊金山城市學院退休。

　　附帶一提，如果你知道《物理教師》（The Physics Teacher）這本期刊，幾乎每一期都有一道物理問題，是用漫畫畫的，這些漫畫題的作者，正是有漫畫背景的本書作者。

　　我是在「教人」，不是在「教書」

　　在他獲頒密立根獎那年，他已經教了18年的書，有人問他：「這樣年復一年的教牛頓運動定律，難道你不會覺得累嗎？」他舉一位魔術師朋友為例，作為回答：我的疲累，不會比我的魔術師朋友多；他已經當了好多年的魔術師，但我每次看到他，他都是神采飛揚地從小朋友的耳朵裡，變出預藏在手掌裡的銅板；因為他知道，觀賞他表演的小朋友，每一次都是不同的人！作者說：「我不是在教牛頓運動定律；我在教的是人：每一學期，都是不同的新人，都是還不知道牛頓定律可以提供他們，一個嶄新而有趣的方法，來看他們週遭生活世界的新人！」

　　關於「教學」，作者認為：教學不僅僅是個「工作」，也不僅僅是份「專業」，而是一種對待生命與生活的整體態度；因此，對於我們當老師的人來說，盡力把教學工作做好，是非常重要的一件事。因為，在我們的手上，不論學生有多大的熱情，我們都有能力把它澆熄，但是，我們也同樣也有能力去激發學生，讓他們發揮出他們最大的潛能。

　　作者相信：學物理「應該」是很有趣的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。而這書正是他這個信仰底下的產物之一。

　　別讓數學成為學習物理的絆腳石

　　我相信，一般人對物理的印象就是「很多數學」。更多的人認為「數學不好的人，物理一定也學不好」。其實，本書第一冊的譯者，雲惠，也是我的妻子，她就告訴過我，在她國中時，她的父親便對她說過類似的話。這樣的誤解，除了使很多原本數學不太好的人，或是畏懼數學的人，少了信心來學習物理，或其他自然學科之外，也讓他們少了經由物理，反過來理解數學的機會。

　　我同意在高深的物理世界裡，數學是一個不可或缺的工具或語言，然而，在我們的學生，還在「襁褓」階段時，數學絕對不應該成為啟發他們對物理產生興趣的障礙。

　　長久以來，很多的物理或理化教師，在物理教學上，都是以數學為出發點，或是把教學重心放在解題上，學生早在看得到「物理觀念」之前，就已經不知道被「數學計算」帶到哪裡去了。這個現象不論在台灣或美國，都是一樣普遍。

　　除此之外，也有很多的學生，不喜歡物理的理由，並不是因為「困難」，而是因為「很無聊」。他們可能是成績不錯的一群，也許用功，也許聰明，他們很快地便能掌握，遇到某一種題型時，應該代某一個公式。我們怎麼可能期待，學生從這種機械式的學習過程中，得出什麼樂趣？
物理觀念為主，數學計算為輔

　　作者以望遠鏡與天文學為例，說明數學在物理教學中，所應該扮演的角色。他說，數學對於物理學來說，就像望遠鏡對天文學來說一樣，都是非常重要而不可缺少的工具。可是，假設有個學生對天文學感興趣，選讀了天文學導論的課，結果，一整個學期下來，天文學老師就只專注在解說望遠鏡的構造細節或操作方法，而完全沒有讓學生有機會透過望遠鏡去看看天空。試想，這個學生還會繼續保有對天文學的興趣多久？

　　然而，很多老師教授基礎物理學的方式，就類似上述那種教天文學的方式。我們把好多的物理課時間，都花在諸如代數、三角函數、座標圖形與有效數字等「工具」上，而不是花在物理觀念上。

　　利用數學求解物理問題，本身並沒有什麼過錯，解題的確也可以加深對物理觀念的理解；只要這些問題是「觀念導向」，而不是「數學導向」。然而，在基礎的物理課程中，過分強調「定量」的理解，卻容易產生二個缺點：

　　首先，是所謂的「死讀書」：許多同學，對自由落體的計算題，可能都很會計算，但卻也認為往上拋的小石頭，之所以會減速，是因為手給它作用力漸漸減小的緣故。或者是，同學可以正確地背出「1牛頓等於9.8分之一公斤重」，但卻對「1牛頓」的大小沒有感覺。

　　其次，在數學計算上花太多的時間，會少了很多時間，去學習有趣的物理基本觀念。譬如說，大家都知道愛因斯坦的《狹義相對論》很重要，但是，對一般的高中生來說，相對論卻是門非常「神秘」的學問。作者寧可省去在運動學上鑽牛角尖的時間，而把時間花在對高中生講解相對論的基本觀念上。

　　然而，別誤會，作者完全沒有輕忽數學計算在物理教學上的重要性。相反的，在本書中，作者不厭其煩地使用文字、漫畫、圖表或照片，來解釋隱藏在方程式背後的意義，同時，也藉此教我們如何利用數學方程式，來「幫助」我們思考問題。

　　一本很好的「另類」參考書

　　原書在設計上，雖是一本寫給美國高中生的物理教科書，但在我看來，它也非常適合台灣同學，拿來作為自行閱讀的參考書。
目前台灣坊間常見的參考書，大都還是偏重在解題公式的層次上，至於所謂的「觀念」，常常就是在解題的計算過程旁邊，畫個方格（或漫畫），加個一兩句簡短的「文言文」，供提醒或記誦之用。至於物理或理化教科書，則因限於篇幅，對許多的觀念，只能精簡地提供一個「骨幹」式的說明，期待老師利用上課的時間，自行補充或與同學討論。

　　相對來說，原作者除了盡量避免使用數學公式來做說明之外，在觀念的說明上，作者也注意到取材自日常生活中常見的現象，或是基本的科學史史料，並以淺顯的白話口語來做說明。

　　首先，我想從學生的觀點，來看這本「另類」參考書：如果你也和我以前一樣，總是覺得老師在講解觀念時，花的時間太少，講得太快，那麼，作者這種「娓娓道來」的寫作風格，正好讓本書像是另外一位老師，細心而耐煩地向你解說著物理觀念的種種內含，讀起來，就像親身在他的課堂上一樣。

　　不論你正就讀的是國中或高中，在閱讀本書時，請暫時先把對物理公式的那份「憂慮感」放下，跟著書中的文字，仔細去想想，本書所討論到的各個物理觀念或現象，確定自己已經理解這些觀念之後（做習題，是確定自己是否有理解的好辦法！），再開始去擔心考試所可能會考的「計算題」。相信你的感覺會是：原來計算題並沒有想像中的困難！

　　當然，若你在閱讀本書時，還是遇到了「百思不得其解」的狀況，那麼，別擔心，就近去找你的老師討論，即使你可能還不是很懂那個觀念本身，但是，相信在你用心閱讀了本書的討論之後，你也已經具備了相當的能力，可以去和老師「討論」問題了！

　　除此之外，作者認為，光是聽老師上課講過，很容易就會忘記，但若是能用自己的話說過一遍，相信結果會是：想要忘記，也難。這是光靠記憶物理公式的學習方式，所無法達到的。因此，作者期待大家都能多去「說」一點物理，不僅在課堂上，甚至在下課以後，等公車時，和父母或朋友用餐時等等。

　　也是一個個人的經驗，有幾次參加教學研習活動，聽到有些老師討論到他們上課的難處：面對一些考題，老師們自己會「解」，但是，除了用數學公式算給學生看之外，覺得很難用「話」說清楚。如果，不巧地，你有這種困擾，也和那些老師一樣，正積極地在尋找有用的參考書籍，那麼，本書會是個不錯的選擇。

　　用自己的話來說物理

　　如同我先前說過的，這是一本寫給美國高中生的物理教科書，所以，書中所舉的例子，當然會是以美國人週遭的生活環境為主，尤其是涉及所謂STS（科學、技術與社會）上的討論時，作者自然以美國人關心的題材為主。

　　我相信，這也是我們許多老師都正在做的事。不論本書再怎麼好，有些內容，對台灣的同學來說，可能還是會覺得不夠貼切，無法引起共鳴，譬如美國就沒有「核四問題」。我想，在這種情形下，就是老師發揮影響力的時候了。

　　我總相信，每一位在教學用心的老師，都有他很獨特的「一套」，本書的作者是一例，多年前暢銷的《蘇菲的世界》的作者，也是一例，希望透過這本書的翻譯與出版，拋磚引玉，能讓更多的老師，用自己的話，用生活周遭的例子，來教物理或其它任何學科，我們未必要以成為暢銷書的作者為志願，但相信，受惠最多的，會是那群我們用心教過的學生。

　　綜觀作者的生平，也曾是物理老師的我，有一點小小感觸。在台灣，社會大眾普遍認為，追求高深的物理知識，比發展物理教學法，來得「有價值」，簡單地說，就是「科學家」比「老師」來得有學問。我非常反對這樣的價值觀。科學家與教師的「學問」，根本就是不能比較的！因為各自用心的地方不同，而本書的作者，剛好是一個很好的例子，我相信，他對物理學界的貢獻，絕對不比任何一位物理諾貝爾獎得主來得低。試想，如果大多數的老師，都認為自己的工作是件沒有價值的事，或大眾無法體認到教育工作者的價值，又有誰會在「教書」之外，還用心去「教學生」呢？

　　誌 謝

　　沒有一件事，是單靠一個人便可以完成的，我希望能藉著寫這個導讀的機會，對所有促成本書中文版問世的人，表達一點謝意。首先是我在懷卡托大學的學姊張慧貞博士，本書就是在和她討論物理教育問題時發現的。其次是我的妻子雲惠，若沒有她的鼓勵，以我有點內向的個性，實在不會向天下出版社推薦這本書。再來是「科學天地」的主編林榮崧先生，很高興他認同我推薦這本書的理由。最後則是包括版權人員、其他譯者、責任編輯、美術編輯等所有的幕後工作人員。