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物理学がわかる (ファーストブック) [自然科学]

高校物理を忘れてしまった人、坐絶した人向けにかかれた解説書。
語り口調でやさしく書かれているが、内容は普通に数式を使った教科書的内容、解説と問題という形式

1力学

1-1ばねと力の大きさ
重さとは地球が物体を地球の中心に引っ張る力で、その力の大きさはばねの伸び縮みの長輪を引かすすれば力を比べることができる。

重りをつるさないときのばねの伸びを0とする。1Nの重りをぶら下げた時0.02m伸び
2Nの重りをぶら下げたときに0.04mのびたなら、ばね乗数=kは
1=k×0.02 2=k×0.04より k=50N/m
一般式だとF=kx フックの法則という。

力の合成、直線上の場合、向きが異なる場合は三角比で力を分解
力をとらえるときは向き、大きさ、作用点を押さえる。重力は真ん中から、抗力と作用反作用は接点から
力のつり合いと、作用反作用は異なる。

1-2速さには種類がある
小学校の算数では平均の速さを使うことが多い。それは等速直線運動。

それに対して実際には加速と減速があるのが普通で、それぞれの瞬間の速さを求めるには時刻と距離のグラフで接戦をもとればよい(微分)

速さが変化するのは加速度運動。その中で速度の変化割合が一定のものが透過速度運動

1-3加速度
加速の度合いは加えた力と、質量が関係する。軽いものほど動く、力が強いほど動く
これを現したのが運動方程式 ma=F
ニュートンの運動法則
慣性の法則 運動法則 作用反作用の法則

1-4運動方程式を使って問題を解く
水平面上で摩擦も空気抵抗も考えない場合
糸でつながった物体の場合(糸の質量を考えなくてよい場合、考える問題)
斜面を滑りおりる物体の場合(摩擦あり、なし)
いずれも力の図示をおこない運動方程式をあてはめてとく。2つ以上の物体があれば、それぞれの物体について運動方程式をたてる

1-5飛んでくる物体に働く力
飛んでくるボールに作用する力は空気抵抗を除けば重力だけ。物体は最初にもった速度を、外力が作用しないかぎりずっと維持し続ける。
鉛直方向の例、自由落下、鉛直投げおろし、鉛直投げあげ
水平方向がまざると、水平投射、射方投射、このときは水平方向は最初の速度で等速直線運動すると考える。だから力の方向分解をして、水平と鉛直にわけて考える

1-6見かけの力
電車のなかのように座標系が加速度運動をすると、電車の中の観測者は座標系の加速度分だけ遅れることによっておこるみかけの力=慣性力が生じる。

1-7遠心力もみかけの力
物体が円運動をするときは、円の中心に向かって向心力が働く。そのため物体は加速度運動をする。そのため慣性力が働く、これが遠心力

1-8万有引力
ニュートンの万有引力の公式の求め方
地球は太陽の周りを等速円運動している。
これとケプラーの法則から、万有引力定数を求める。
月も地球に向かって落下しているなら、地表面での落下加速度が重力加速度に一致すれば、万物は弾き合っていると証明されたことになる。

1-9正しく時間を測定する
ばね振り子・・・加速度運動でも狂わない。
単振子・・・振り子時計の振り子、加速度運動で狂う。
これらの単振動の周期が一定であることを利用して時間を測る

1-10運動量
衝突で運動量保存の法則が分かる(アメリカンクラッカー)
力積は「力×時間」という概念
跳ね返り係数・・・ボールの固さを表す。計算の仕方がのっていた。

1-11エネルギーの正体
仕事とエネルギーの単位はMKS単位系ではJ(ジュール)で表す。
運動エネルギーと位置エネルギーの合計したものが保存するのが力学的エネルギー保存則
位置エネルギー・・・重力、ばね、万有引力


2熱力学

2-1客観的に温度を測る
温度と熱量は違う。
熱量の単位は、1J=4.2cal
1cal=水1gの温度を14.5度から15.5度に一度だけ上昇させるのに要する熱量
熱平衝・・熱いものと冷たいものをまぜたとき、2つの温度が同じになったとき
熱容量・・・物体の温度を1Kあげる熱量
比熱・・・単位質量あたりの熱容量

2-2 熱の本性
熱の本性は運動。仕事をW 熱をQ 仕事と熱の交換レートはW=JQとあらわされる。
温度には熱力学温度を使う T=f+273.15K
理想気体・・・期待は温度に比例して膨張収縮するが、完全に理想的な反応をする気体をいう。体積をV 絶対温度をTとする V=kT(シャルルの法則)
圧力をかけると小さくなるのをボイルの法則(pV=一定 pが圧力 Vが体積)が表す
気体の状態方程式は pV=nRT Rは気体常数

2-3分子運動論
1個の原子が壁にぶつかる場合の運動を計算
Nこの原子が壁にぶつかる場合の運動を計算
気体の比熱は2種類
定積比熱・・・体積が一定
定圧比熱・・・圧力が一定
2原子分子気体を考える。重心の運動と回転を考える。自由度・・・分子が自由に運動できる状態
3原子分子気体を考える。自由度がfとして。
液体と固体の分子運動を簡単に記述するのは難しい。
ただし、化学的に簡単な結晶体のモル比熱が3Rに近いことは実験で証明されていて、ディロン・プティの法則とよんでいる。

2-4熱力学第1法則
熱力学第一法則はエネルギー保存則を表す式 ΔU=Q+W 気体内部のエネルギー変化→ΔU
熱=Q 運動=W
気体の状態変化
定積変化 定圧変化 等温変化 断熱変化があってそれぞれの式の求め方解説

2-5熱力学第2法則
不可逆変化・・・仕事が熱に変わることがあっても、熱を吸収して100%仕事にかえて、それ自身はもとに戻る装置はない(永久機関はない) トムソンの原理
または熱は高音から低温に向かって移動して、そのぎゃくは反対にならない クラウジウス
この第2法則は経験則


3波動

3-1波動とは
何はその媒質が移動するのではなく振動が移動するもの。水面に一円玉を浮かべて、波を起こしても1円玉は移動しない。
波の方程式解説。
波は自由端で反射するときは位相がずれないが、固定端で反射するときには半波長ずれる
反射を両端で繰り返し共振が生じる場合、定常波ができる

3-2波の方向
ホイヘンスの原理は次の波面がどうなるか説明できる
回折・・・スリットを波が通り抜けると起きる
干渉・・・波と波の重なりで起こる
回折と干渉は波動独特の現象で、これがおきると波動であると言える。

3-3音
音の3要素 音の高さ→波動数 音色→波形 音の大きさ→振幅の大きさ
音源と観測者が相対的に近づいたり遠ざかったりするとドップラー効果が起きる
楽器の音が長くなるのは共鳴・共振

3-4光も波
光は粒子の性質と波の性質をあわせもつ
全反射・・・媒質からでられなくなる状態
レンズと焦点の解説
高速の測定方法解説。食を利用するレーマの方法
高速で回転する鏡を使ったフーコの方法
光が干渉する(波の性質をもつ)ことを発見したのはヤング
光の速さは秒速30万キロメートル、1秒間に地球の周りを7周半
可視光の色 赤・橙・黄・緑・青・藍・紫
赤外線を熱線 紫外線を化学線とよぶ


4電磁気学

4-1静電気の正体
電気の正体を求めてきた歴史解説。現代では電子によって説明されている。電子の負の電荷は e=-1.6×10-19乗で電子が過剰にあると負に帯電、不足すると正に帯電する。
おなじ電荷は反発、異なる電荷は引きあう。
電荷の単位はクーロンで表される。

4-2電気力線と電場
目に見えない電気を電気力線をひくことで可視化する。
電気力線の引き方の決まりの解説。
絶対電位の求めかた

4-3 コンデンサー
導体と誘導体(絶縁体)解説
ガウスの法則解説
コンデンサーに蓄えられる電気量を求める

4-4定常電流(直流)
ある断面を1秒間に通過する電荷の量を求める
導体中の自由電子は抵抗をうける(電気抵抗)それにはオームの法則が働く
温度をあげると抵抗はおおきくなり、下げていくと突然なくなる(超電導)
キルヒホッフの法則を使って複雑な回路の抵抗を求める
電気によってされる仕事は電力量と呼ばれる
電池には起電力=Eと内部抵抗=rが存在するので、端子電圧V=E-lr

4-5磁石でつくる磁場
磁気にもクーロンの法則がある
ガウスの法則で磁場の強さ(一定の面積当たりの磁束)をもとめる

4-6コイル
直流電流のまわりにできる磁場の解説
円電流の周りにできる磁場の解説
ソレノイド=コイルがつくる磁場の解説

4-7電磁力
電磁力は電流が磁場からうける力
電気ブランコの解説
フレミングの左手の法則の解説
電磁力の大きさの求め方
コイルが磁場からうける力求め方

4-8電磁誘導
磁石で電流を生みだすことを電磁誘導という。
誘導起電力の求め方、磁束の変化でわかる
電磁誘導の現象をつかったものは電磁調理器、炊飯器などがある
家庭にある電力計の円盤を回しているのは過電流
相互誘導・・・向かい合わすのコイルに電流を流すともう一方のコイルに電流がながれる現象
自己誘導・・・コイルが一つの時おきるもの

4-9交流
交流を発生させる回路解説

4-10電磁波
空中に飛び出した電気信号が電磁波
電波・赤外線・可視光線・紫外線・X線などがある
電気振動から電磁波発生のメカニズムを解説
電磁波は横波
加速度運動をする電荷は電磁波を放出する。



物理学がわかる (ファーストブック)

物理学がわかる (ファーストブック)

  • 作者: 川村 康文
  • 出版社/メーカー: 技術評論社
  • 発売日: 2009/10/01
  • メディア: 単行本(ソフトカバー)



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