物理学Ⅰ － 第 １ 回 － 基礎26,27組 担当 藤原英樹 電子科学研究所・准教授

Presentation on theme: "物理学Ⅰ － 第 １ 回 － 基礎26,27組 担当 藤原英樹 電子科学研究所・准教授"— Presentation transcript:

1 物理学Ⅰ － 第 １ 回 － 基礎26,27組 担当 藤原英樹 電子科学研究所・准教授 fuji@es.hokudai.ac.jp
物理学Ⅰ －　第　１　回　－ 基礎26,27組  担当　藤原英樹 電子科学研究所・准教授

2 授業のパワーポイント http://optsys.es.hokudai.ac.jp/fuji/basicphys1.html 研究テーマ
「微小共振器を用いた高効率光反応場の創成」 機能性光デバイスの基礎的・実験的研究 授業との関連： 量子光学（量子化された電磁場の操作） 　　　光科学（微小共振器構造の設計、製作） 非線形光学（レーザー発振等の現象の実験的観測） 授業のパワーポイント

3 Research Institute for Electronic Science
電子科学研究所 工学部 光 (Light) : Optics, Photonics 分子(Molecule) : Material Sciences 生体(Organism) : Biology, Bionics Nanoscience Nanotechnology

4 光を使って物と光の相互作用を測る、制御する
研究室の研究テーマ Prof. Sasaki 分子や微粒子を 一粒づつを測る 光局在場を直接 観る ユニークな微細構造を測る・光子を制御する プラズモン 数ミクロンの微小な光素子で光子を閉じこめ、制御 光の力で微弱な力を計測する 光を使って物と光の相互作用を測る、制御する

5 2年後期 力学、波動 熱・統計力学 電磁気学 量子力学 連続場 光工学 固体物理学 情報理論 電子回路論 半導体工学 量子光学 オートマトン
　力学、波動 2年後期 熱・統計力学 電磁気学 量子力学 連続場 光工学 固体物理学 半導体工学 情報理論 電子回路論 量子光学 オートマトン 人工知能 量子通信 携帯電話システム レーザー、光通信

6 勉強の仕方 １ 予習 － 教科書のＢａｓｉｃの節を読んでおく （出来ればＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅも） 疑問に思うことがないかという視点で
１　予習　－　教科書のＢａｓｉｃの節を読んでおく 　（出来ればＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅも） 　　　　疑問に思うことがないかという視点で ２　講義を聞く 　　　　聞きながらポイントを整理できるとよい ３　復習をする 　　　・教科書・講義資料を見てポイントの確認 　　　・配布する演習問題を解く

7 教科書について Ｂ（Ｂａｓｉｃ） 基本概念・基本法則 Ｉ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ） Ａ（Ａｄｖａｎｃｅｄ）
レベル別に学べる物理学I　丸善出版 Ｂ（Ｂａｓｉｃ）　基本概念・基本法則 　　　　予習で読んでおく 　　　　講義はパワーポイントで要点を中心に解説 Ｉ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）　 　　　　大学物理としての発展的内容を含む Ａ（Ａｄｖａｎｃｅｄ） 　　　　数学の難易度が上で上級コース向け 　　　　この講義では（例外を除く）扱わないが 　　　　意欲がある人は自習を

8 教科書について（続き） 章末の演習問題は発展的内容で、講義内容の 理解を確かめるには不向きなものも多い
→講義で演習問題を配布（一部は教科書の問題を指定）するのでそれを解く

9 パワーポイント http://optsys.es.hokudai.ac.jp/fuji/basicphys1.html/
クリックしてダウンロード

10 単位と成績 評価基準は資料参照（出席・レポート・試験） 宿題レポート提出 高校で物理を履修していない人へ レポートと試験で評価を行います
　　レポートと試験で評価を行います 宿題レポート提出 　　次回の講義開始前・終了後 高校で物理を履修していない人へ 　　高校物理の教科書（又は参考書）は準備したほうがよい 　　　　　→　未履修で良い成績を取る場合も結構ある 　　　　　　　しかし、状況把握についての経験差はハンディ 　　　　　　　・・・差を埋める努力は必要

11 ０章 イントロダクション 物理学とは？ 自然界には階層構造 他分野にも物理の視点 「なぜ？」に答える役割 「どのように？」→普遍性
０章　イントロダクション 物理学とは？ 基本原理から　　　　　自然現象を理解 自然界には階層構造 →　いろいろな物理学分野 他分野にも物理の視点 物理化学、生物物理学、地球物理学 「なぜ？」に答える役割 「どのように？」→普遍性

12 ｝ 物理学の基礎 古典物理学 力学 電磁気学 熱力学 日常生活とも密接な関係 →物理学Ⅰ、Ⅱで扱う 統計力学 近代物理学 量子力学
　　　力学　　　　　　 　　　電磁気学　　　　　 　　　熱力学 　　　統計力学 近代物理学 　　　量子力学 　　　相対性理論 ｝ 日常生活とも密接な関係 →物理学Ⅰ、Ⅱで扱う

13 物理学Ⅰ 力学分野、波動現象 目標１：いろいろな運動、いろいろな波動現象を 基本法則から理解 目標２：「なぜ？」と考える姿勢を身に着ける
目標１：いろいろな運動、いろいろな波動現象を 　 基本法則から理解 物理的な考え方はいろいろな場面で役立つ 目標２：「なぜ？」と考える姿勢を身に着ける 知的好奇心は進歩の原動力 論理的思考力がかけている大学生が多い！

14 前半の講義（質点の運動） 内容の分類 １．準備 － 運動の表し方、単位、数学 ２．いろいろな力 － 運動を引き起こす要因
１．準備　　　　　　－　運動の表し方、単位、数学 ２．いろいろな力　－　運動を引き起こす要因 ３．基本法則　　　－　運動の３法則 ４．いろいろな運動 ５．運動の理解に便利な概念 　　　　　エネルギー、運動量、角運動量

15 後半の講義 力学の続き ６．剛体とその運動 － 大きさがある物体 ７．流体 － 液体（、気体） ８．振動 － 普遍的運動 波動の準備
６．剛体とその運動　－　大きさがある物体 ７．流体　　　　　　　　－　液体（、気体） ８．振動　　　　　　　　－　普遍的運動 　　　　　　　　　　　　　　　　波動の準備 波動現象 １．波の一般的性質　 ２．具体的な波　　　　－　弦、音、光など

16 第１章 運動の概念と数学 この章のポイント １．運動の記述 位置、速度、加速度の概念を正しく理解 ベクトル量とスカラー量の区別
第１章　運動の概念と数学 この章のポイント 　１．運動の記述 　　　　位置、速度、加速度の概念を正しく理解 　　　　ベクトル量とスカラー量の区別 　　　　グラフによる理解 　２．物理量の単位 　　　　単位の重要性を理解する 　　　　次元解析ができるようになる 例えば、回転運動をどのように記述するか？

17 §１ 運動の表し方（１－１～１－８） 前半の講義は質点の運動を扱う 質点・・・１．大きさを無視して物体を点として扱う場合
§１　運動の表し方（１－１～１－８） 前半の講義は質点の運動を扱う 質点・・・１．大きさを無視して物体を点として扱う場合 ２．物体が自転や変形をしないとき物体を 代表する点（重心）の動きに注目する場合 物体が運動する・・・物体が動いているということ ☆運動を表現するには？ 当面は自転などを考えない どこにいるか ・・・　位置 どれくらい動いているか ・・・　速度、スピード（速さ）

18 ☆位置 座標系の導入 札幌駅、北大、自宅・・・場所がはっきりしている 札幌駅の北５００ｍ ・・・基準の場所から測れば どこでも表せる
札幌駅の北５００ｍ ・・・基準の場所から測れば　　　　 　　　　　　　　　　　どこでも表せる 座標系の導入 基準になる位置・・・原点Ｏ（札幌駅） 原点からの方位・・・座標軸（北500m） Ｐ ⇒　位置は座標で表される Ｏ 北５００ｍ、西２００ｍ、上空５０ｍ などに対応 位置ベクトルと見ることも多い（２章　来週）

19 ☆スピードと速度 スピード 単位時間（1秒間、1時間・・・）に進む距離 （速さ） 時速６０ｋｍ ・・・ 1時間に６０ｋｍ進む ６０ km/h
時速６０ｋｍ　・・・　1時間に６０ｋｍ進む ６０ km/h １．５時間に９０ｋｍ進めば時速６０ｋｍ

20 問1　 Ａ地点からアリスが出発すると同時に１２ｋm 離れたＢ地点をボブが出発した。 　　アリスの時速を４ｋｍ、ボブの時速を６ｋｍ 　　とすると二人が出会うのは何時間後か？
１．２時間後 ６時間後 出会わない 分からない 7 0 / 300 Answer Now

21 ↑ スカラー量：物理量の大きさ（向きは関係ない）
問１の答 スピード（速さ）： 単位時間（1秒間、1時間・・・）に進む距離 時速６０ｋｍ　・・・　1時間に６０ｋｍ進む ↑　スカラー量：物理量の大きさ（向きは関係ない） 速度： 動く向きと大きさの情報を含める（ベクトル量） 例　東北東に時速６０ｋｍ

22 ☆速度 今日は直線運動の場合のみ考える 例 直線上を一定のスピードで動く場合 時間 の間に から まで移動 変位
例　直線上を一定のスピードで動く場合 時間　　　の間に　　　から　　　まで移動 変位 位置の変化を向きまで含めて表現（ベクトル） 負の場合もある 速度 単位時間当たりの変位 位置の変化率

23 例題１－１ ５０ｍプールを５０ｓで一往復した。 このときの平均スピードと平均速度は？ ☆ベクトル量とスカラー量を区別
例題１－１　５０ｍプールを５０ｓで一往復した。 このときの平均スピードと平均速度は？ 平均：一定のスピードと速度としたら 答 ５０ｓ間の移動距離＝　　　　ｍ、変位＝　　　　ｍ 平均スピード＝　　　　ｍ/　　　　ｓ＝　　　　ｍ/ｓ 平均速度＝０ｍ/５０ｓ＝０ｍ/ｓ ☆ベクトル量とスカラー量を区別 スカラー量 大きさだけを持つ 例　距離、スピード ベクトル量 大きさと方向を持つ 例　変位、速度 ベクトルで表される量

24 ☆運動を表すグラフ 速度が一定でないときはグラフで表現すると分かりやすい 時刻 に位置 にいる 比較：等速直線運動（速度が一定）の場合
時刻　　に位置　　　　にいる 比較：等速直線運動（速度が一定）の場合 傾きが平均速度 傾きが一定

25 §２ 運動の変化（１－９～１－１２） ☆瞬間の速度 一般的には速度は時間と共に変化する ・・・ここではそれを運動の変化と表現
§２　運動の変化（１－９～１－１２） 一般的には速度は時間と共に変化する ・・・ここではそれを運動の変化と表現 ☆瞬間の速度 以後、単に「速度」 時間間隔を短くした極限として定義される

26 ある時刻における位置と瞬間の速度＝その時刻の運動の状態
瞬間の速度は何を表しているのだろう？ スピードメーターの表示 「そのままの運動で」単位時間に起こる変位 「傾き」一定 傾き一定　⇒　毎秒の変位は同じ ・・・　運動の変化なし 瞬間の速度＝接線の傾き 　　　 ＝導関数 ある時刻における位置と瞬間の速度＝その時刻の運動の状態 平均速度

27 ☆加速度 運動の変化を表す量 加速度 単位時間当たりの速度の変化 速度の変化率 加速度もベクトル ⇒
（⇔ 速度 = 位置の変化率） 加速度もベクトル ⇒ 変位を速度の変化と読み直せば速度の定義と同じ 位置の変化　→　速度の変化 時間-速度グラフでの接線の傾き

28 ある時刻における運動の変化率 ＝その時刻の瞬間の加速度
時間-位置グラフと時間-速度グラフ 速度の変化 平均加速度 ＜０ 接線の傾き＝速度 瞬間の加速度 傾き減少 ⇔ 減速 図での接線の傾き ←負の加速度 ある時刻における運動の変化率 ＝その時刻の瞬間の加速度 以後「加速度」

29 問２ 次のグラフのうち加速度が常に正なのは？
問２　次のグラフのうち加速度が常に正なのは？ 300 １． ２． ３． 10 Answer Now

30 今日のまとめ 運動の表し方 運動の変化 位置と速度（瞬間の速度） 位置は座標（位置ベクトル） 速度は位置の変化率
　　位置と速度（瞬間の速度） 　　　　位置は座標（位置ベクトル） 　　　　速度は位置の変化率 　　　　速度と平均速度、スピードはしっかり区別 運動の変化 　　加速度 　　　　加速度は速度の変化率 速度と加速度はベクトル量 グラフの読み取りが出来るように

31 復習内容 第１章 １－１～１－１０ が必須の対象範囲 １－１１～１－１４は来週に繰越になっているが 自習してレポートに含めてもよい
第１章　１－１～１－１０　が必須の対象範囲 １－１１～１－１４は来週に繰越になっているが 自習してレポートに含めてもよい １－１５以降は講義では省略する 自然化学実験のためにも自習しておくとよい