世界第一簡單物理學：力學篇【修訂版】

漫畫→圖解→解說
物理學是一門與自然現象息息相關的學問。力學即為其基礎。一般教科書多以文字敘述力學的動態意象，缺少了圖像連結使初學者總無法體會實際概念與真正有趣之處。本書藉由漫畫將力學的物理運動，以及力隨時間變化所產生的變動以動態方式表現出來，期望讀者能清楚理解力學的基礎概念──「牛頓三大運動定律」、「動量與衝量」、「功與能量」、「力學能守恆定律」。
本書藉由漫畫清楚描繪力學的動態意象，另輔以文字說明概念，最後以循序漸進的方式說明力學基礎知識，以及與生活相關的物理學。如此一來，使得原本枯燥乏味的力學現象及相關定律變得更有趣，任何人都能依以下指示，隨著本書的安排輕鬆習得力學知識。
如果你是，正要學習物理或是學不好物理的人：首先請僅閱讀漫畫部分。即使碰到無法理解的地方，也無須在意。你將因為漫畫而體驗到物理的有趣之處！
物理成績普普，但想進一步學習高中程度的物理力學的人：除了漫畫外，也請接著閱讀進階部分。
大學生．理工科系出身的社會人士．喜歡物理的高中生：請依序閱讀漫畫、進階至挑戰部分。此部分是以高中程度的微積分，進一步為漫畫內容作補充。
本書的用法 
本書專為不擅長物理的人至理工科系的大學生等不同程度讀者所撰寫，為了使各種讀者可配合自己適合的程度學習，而分成「漫畫部分」、「進階」、「挑戰」三個階段。
正要學習物理的人或是學不好物理的人：首先請僅閱讀漫畫部分。即使碰到無法理解的地方，也無需在意。你將會因為有趣的漫畫而順利讀完吧！讀完一遍漫畫後，接下來請連同「實驗室」再閱讀一次。雖然會出現數學算式，但由於僅會使用到國中程度的數學，若認真閱讀，應可漸漸理解！若即使如此還是有無法理解之處，就請略過吧！讀得越透徹，越能漸漸懂得物理的思考法。之後，再請依自己的興趣及理解程度，慢慢往進階部分和挑戰部分邁進。此外，請利用在本書學得的力學定律，試著思考生活週遭的現象。重要的是，不斷思考。
物理成績普普，但想進一步學習高中程度物理力學的人：請盡量閱讀進階部分。進階部分為補充漫畫內容的解說。若是非常喜歡理科的人，即使是國中生也可以理解！此外，對於書中出現的算式，請自己計算一遍。請不要死背公式，因為藉由基本定律導出結果是理解物理的關鍵之一。
大學生．理工科系出身的社會人士．喜歡物理的高中生：請一路讀至挑戰部分。此部分是以高中程度的微積分，進一步為漫畫內容作補充。微積分是由發現三大運動定律的牛頓所創造的，為充分運用力學所不可或缺的道具。此外，使用微積分後，可清楚地展示出力學各定律間的關聯。若不看書，也能由牛頓三大運動定律導出動量守恆定律、功和動能的關係、能量守恆定律的話，則表示你已具備相當的物理實力。

新田英雄 (NITTA HIDEO)
1987年日本早稻田大學部理工學研究科博士課程修了。
現任：東京學藝大學助理教授。理學博士。
專長：理論物理學、物理教育。
主要著作
「物理和特殊函數(物理數學One Point)」(共立出版)
「用Excel學電磁學」(共著，OHM社)
「用Excel學簡單的量子力學」(共著，OHM社)
製作者簡介
株式會社TREND．PRO
1998年創業，由於擅於漫畫式的創作，因此受到各大企業和團體的委託製作，包括報章雜誌的廣告特集，以及公家機關等，製作各種形式的漫畫廣告。近年來，亦積極活躍於數位廣告製作以及出版企劃。過去的製作實績公開於官方網站中。http://www.ad-manga.com/
re_akino
作畫：高津 Keita
DTP：有限會社Move
審訂者簡介
朱士維
臺灣大學物理系教授。現任分子影像中心副主任、創新設計學院副院長，並擔任台灣物理學會理事、清大腦科中心組長等職。目前除擔任多項國內外會議委員，亦為美國生物物理學會期刊Biophysical Reports的編輯委員。曾獲得台大傑出教師獎、台大優良導師獎、傑出人才基金會年輕學者創新獎、科技部未來科技獎等教學與研究獎項。
曾在Tubingen University，Osaka University，Heidelberg University，與Bordeaux University擔任客座教授。
研究領域：光學顯微技術、奈米光學

李荐軒
2020國立臺灣大學物理學系畢業，獲得108學年度國立臺灣大學理學院畢業生院長獎。現就讀於國立臺灣大學物理學研究所二年級，研究領域為矽奈米光學。

譯者簡介
林羿妏
2006年畢業於台灣大學國際企業學系，目前為兼職口筆譯者。譯有：《圖解燃料電池》、《世界第一簡單 統計學》、《世界第一簡單 微積分》《世界第一簡單 密碼學》《世界第一簡單 電學原理》（以上皆為世茂出版）。

前言
理解物理所不可欠缺的是對於「現象」的正確想像。尤其在力學中，我們必須一邊想像物體的運動如何時刻變化，一邊理解物理法則。然而，以往的教科書通常以文字為主，所以無法充分表達物體變動的意象。
本書活用漫畫的特長，嘗試突破上述教科書的種種限制。漫畫不僅是圖象的集合，更能表現出時間性。因此，可生動地表現出隨著時間流動而變化的運動現象。如此一來，應該可將以往被認為枯燥乏味而缺乏實際體驗的力學現象及定律，變身為貼近生活的內容。當然，若不有趣就不可稱為漫畫。因此本書也在此著力不少。雖然這個嘗試是否成功僅能待各位讀者的評斷，但除了受限於篇幅，而不得不刪除談及圓周運動及非慣性座標的遊樂園章節之外，身為作者，我認為這是部相當令人滿意的作品。
本書的主角是位不擅長物理的高中生──二宮惠美。我相信即使是對物理抱持著懼怕態度的讀者也能和主角惠美一起學習、思考，並在樂趣中了解力學的基礎。
我希望本書可以有更多「不擅長物理的人」及「討厭物理的人」閱讀，並且期望大家都能如同本書主角一般，漸漸對物理產生興趣。
最後，誠摯感謝Ohm社的工作人員、負責故事腳本的re_akino，以及完成絕佳漫畫的高津Keita先生。若沒有各位的協助，我絕對無法獨力完成此書。
新田英雄
2006年11月

序 章　開始對物理產生興趣？！　1
第一章 作用力與反作用力定律
1. 作用力與反作用力定律　14
何謂作用力與反作用力？　15
力的平衡　20
力的平衡及作用力與反作用力定律　23
超距力及作用力與反作用力定律　30
2. 牛頓運動定律　33
力學為物理的基礎　33
進階
純量和向量　37
向量的基礎　37
力的平衡及力的向量　39
牛頓三大運動定律　41
畫出表示重力的力的向量位置　42
挑戰
以算式表示作用力與反作用力定律　43
重力及萬有引力　44
 
第二章 力與運動
1. 速度與加速度　48
等速度直線運動　48
等加速度運動　52
實驗室當速度不固定時的前進距離……55
2. 運動定律　60
慣性定律　60
運動方程式　68
實驗室以計算來求出正確的力的值……75
拋物運動　77
進階
等加速度運動的三個公式　87
平行四邊形定律　88
力的合成及分解　89
沒有力作用的狀態及牛頓第一運動定律　91
有力作用的狀態及牛頓第二運動定律　91
速度．加速度．力的方向　92
物體不具有力　93
力的單位 N（牛頓）　93
挑戰
如何決定質量與力？　94
重力的大小　95
拋物運動　97
速度．加速度及微積分　100
v-t圖形的面積及移動距離　101
第三章 動量
1. 動量及衝量104
如何表示運動的強度？106
實驗室依質量不同造成動量的差異……109
動量的變化及衝量111
實驗室求出擊球的動量……117
2. 動量守恆120
作用力與反作用力及動量守恆 120
實驗室宇宙及動量的定律……126
3. 有用的「動量變化＝衝量」129
用來降低衝擊129
用來發出快速球133
進階
動量及衝量139
生活中的「動量及衝量」140
導出動量守恆定律的方法141
只以動量守恆定律解開的問題：分裂及合體143
動量的單位144
挑戰
作用力與反作用力定律及動量守恆定律145
向量的動量守恆定律146
火箭的推進147
第四章 能量
1. 功及能量152
何謂能量？153
實驗室動量及動能的差異……162
位能164
功及位能169
實驗室確認功的原理……172
功及能量175
實驗室功及動能的關係式……178
安全距離及速率180
2. 力學能守恆定律184
能量的轉變184
力學能守恆定律187
實驗室以算式來表示力學能守恆定律191
求出拋物運動的速度和高度194
實驗室斜面上的力學能守恆定律195
進階
能量的單位 200
上提的功及重力的功的差異201
位能203
向上拋的速度及高度204
挑戰
力的方向與功205
力非固定時的功（一維）206
保守力及能量守恆定律209
彈簧的位能及力210
非保守力及能量守恆定律210
能量守恆定律及硬幣碰撞問題211
附 錄 223
索 引 225

牛頓三大運動定律

牛頓三大運動定律如下所示。

第一運動定律（慣性定律）v
當物體所受合力為零時，靜者恆靜，維持等速度直線運動。

第二運動定律（運動方程式）
物體的加速度與外力成正比，與質量成反比。

第三運動定律（作用力與反作用力定律）
對物體施加力量，都會同時受到物體一個大小相等而且方向相反的反作用力。

關於牛頓三大定律，我留待第2章再解說。本章在此僅說明與手掌上的球相關細節。

由第一運動定律可得知，施加於靜止物體上的力的合力為0。換句話說，靜止物體上力的平衡可由第一運動定律導出。手掌中的球在靜止狀態下，手對球所施加的力與作用於球的重力，兩者的合力為0，這可由第一運動定律得知。

於本章所學得的作用力與反作用力定律為第三運動定律。由此定律可得知，手對球施加的力與球對手施加的力為大小相等、方向相反的力。

作用力與反作用力定律恆成立。即使移動手使球運動時，還是會成立。

畫出表示重力的力的向量位置

如同上圖所描繪的施加於球的力的向量，和的起點位置是不同的。但即使我們可以理解以手對球施加力所接觸的地方作為起點來描繪這個方法。那麼重力的起點，為何會從球的中心開始呢？其實，由於在基礎力學中，是把物體當作沒有尺寸大小的點（質點），因此當我們在畫力的向量的起點時，位置差異是沒有意義的。只是用圖畫表示時，若只以點來表示則難以理解，因此才以具有大小的物體來表示。

此外，雖然有尺寸的物體也屬力學所討論的範圍，但難度很高。如果要加入探討，則重力被視為施加在物體的質量中心（重心）上。只要意識到這點，就能在有尺寸的物體的圖上，將重力描繪於物體的重心上。接下來，本書的內文中仍會將物體的圖以上面左圖般，較接近實物的樣態來表示，但仍請記得在力學上是以上面右圖忽略物體尺寸的方式表示的。