高校生に教えてもらう物理講座

高校生に教えてもらう物理講座
A physics lecture taught by high school students　

注：専門家のチェックを経ていません。
Note：This isn’t a professional’s teaching.

大人が生徒、生徒が先生。
An adult is a student and the students are teachers.



今日の運勢
Today's fortune.

ちょっとした発想の転換が、人生の転機につながるかも。
A slight change in thinking can lead you to a great turning point in your life.

思いついたことは、すぐメモして。
Let's put down what you hit on immediately.

ラッキーカラーはイエロー。
Your lucky color of today is yellow.

北北東の方向に吉あり。
There is your good luck in the direction of the north by northeast.

星占いもやってたの？
Did you do the horoscope?

恒星は毎年同じ季節に同じところに見えるが、
Fixed stars are seen in the same place every year in the same season.

惑星は変な動き方をする。
But the planets do strange way of moving.

火星の逆行運動とかも起こる。
Mars performs a retrograde motion.

数学的には、地球が太陽の周りを回っていると考えたほうが、自然なのではないか？
Mathematically speaking, isn’t it natural that the earth goes around the sun?

16世紀、コペルニクスが地動説を唱える。
In the 16th century, Copernicus advocated the heliocentric model.

17世紀、ケプラーが３法則を唱える。
In the 17th century, Kepler advocated 3 laws.

第１：惑星は、太陽を１つの焦点とする楕円軌道を回っている。
The first：The planet goes around the elliptic orbit that assumes the sun one focus.

第２：面積速度が一定。
The second：The areal velocity is constant. (A line joining a planet and the Sun sweeps out equal areas during equal intervals of time.)

第３：公転周期の２乗と長半径の３乗が比例。
The third：The cube of the semimajor axis is proportional to the square of the orbital period.

コペルニクスやケプラーがこれらの大発見をした背景には、高度な数学的素養に加え、天体の動きを正確に予測しようという占星術的な動機があったと言われている。
As the background of the great discovery of Copernicus and Kepler, they had a great intention to predict precise planets’ movement in the horoscope, and they had enough mathematical quality for it.

結局、ガリレオって何したの？
What did Galileo do after all?

さあ。
I don’t know.




望遠鏡で天体観測をするかたわら、落下や振子について研究。
While doing the astronomical observation with his telescope, he studied fall phenomenon and pendulum phenomenon.

1/2mv^2=mgh

天体を支配する法則と地上を支配する法則は同一のものであることを照明しようとした。
He was going to prove that the physical law to rule the ground was the same as that of the heavenly bodies.

頭の中で考えるだけでなく、当時は一般的でなかった実験というもので証明しようとした。
He did not remain in thinking and used some experiments to prove it, which was not usual in those days.

(未完→ニュートンに引き継がれる。)
(unfinished → succeeded by Newton)

静止している物体は、力を加えられない限り、静止を続け、運動している物体は、力を加えられない限り、等速運動を続けるのじゃ。
An object standing still continues standing still unless it is influenced by power, and an object moving in constant velocity continues constant velocity unless it is influenced by power.

落下距離は落下時間の2乗に比例。
The fall distance is proportional to square of the fall time.

S=1/2g･t^2

質量とは関係ない。
It has nothing to do with the mass.

アリストテレス派と対立。
It causes repulsion from the Aristotle group.

宇宙空間では重さはゼロ。
The weight becomes zero in the outer space.

しかし物体を加速する力に関わる物理量としての質量は、地上と変わらない。
However, the mass as the physical quantity does not change in the space, which restricts materials from acceleration. 

宇宙空間でも、質量の大きな物質を加速するには、大きな力が必要。
Big power is necessary to accelerate a big mass material even in the outer space.

速く加速するためにも、大きな力が必要。
To accelerate faster, the more power is necessary.
y.



質量が小さいほどすぐに加速されるのなら、軽いほうが早く落ちるんじゃない？

それだとガリレオともアリストテレス派とも違う答えになっちゃうね。

ニュートン登場

万有引力の法則　F＝(M x ｍ) / r^2　

Mとｍは質量。Gは万有引力定数。ｒは距離。

ケプラー第３法則から導かれた。

地球の質量は同じ。

物体の質量ｍが違う。１０ｋｇと５ｋｇ。

万有引力は物質の質量に応じてたくさんかかってくる。

結局加速度は同じようにかかる。

ニュートン第１：慣性の法則。(ガリレオも言っていた。)

ニュートン第２：　Ｆ＝ｍａ　力　＝　質量　ｘ　加速度

ニュートン第３：作用・反作用

物理は暗記モノじゃないというけれど、暗記した方がよいかも。



Ｆ＝ｍａ？

等速運動しているものに力は働いていないの？

絶対あるよねえ。当たったら痛いもの。

加速より減速が分かりやすい。

等速直線運動しているものに力は働いていない。

ぶつかるときには、マイナスの加速度が働く。

減速するときもまた同じ。

惑星の引力圏に入ったら、プラスやマイナスの加速度ではなく、向心加速度がはたらく。

向心加速度は、速度（１秒間に進む弧の長さ）に角速度をかけたもの。

ａ ＝ ｖ ω


ガリレオやニュートンは、摩擦を極力排除した純粋な力を描きたかったのね。

なのに、高校物理では、Ｎ（ニュートン）は摩擦力の単位として出てくる。

摩擦力は意外と重要。

ピサの斜塔のような高いところからゴムまりを落とせば、実際は空気抵抗で、重い方が速く落ちる可能性がある。

雨に打たれても死なないのは、空気抵抗で雨粒が加速されないから。

ポールダンサーのお姉さんが落ちてこないのは、摩擦力のおかげ。

それは重要だ。



何よりも摩擦は電気を生む。

万有引力の法則　Ｆ＝Ｇ（Ｍ・ｍ）／ｒ ^2

同様の公式が、電気でも磁気でも見出される。

引き合う力は、距離の２乗に反比例。

ボルタ電池、エルステッドの実験をきっかけに、電気と磁気の関係の探求が始まる。

アンペール　右ねじの法則　電流を流すと磁界が生じるんだぜ。

H＝１／２πｒ

ファラデー　電磁誘導の法則　磁界を変化させると電流がながれるんだよ。

V＝－Δφ／Δｔ


球の体積　V＝４／３・πｒ＾２

半径で積分　　半径で微分

球の表面積　S＝４πｒ＾２

半径で積分　　半径で微分

８πｒ

これは何でしょう？

書いているうちに分からなくなりました。

等加速度運動

距離　S＝１／２ａｔ＾２

時間で積分　時間で微分

速度　ｖ＝ａｔ

時間で積分　時間で微分

加速度　ａ

ついでに

表面積は半径の２乗に比例

体積と重さは半径の３条に比例

小さいほうが重さに比べて表面積が大きいことに。

つまりは小さいものは空気や水の摩擦を受けやすい。

粉は舞いやすいし、プランクトンは泳がなくても浮遊していられる。

１７－１８世紀ニュートン(英)とライプニッツ(独)が別々に微積分を考え出す。

微積分の記号はライプニッツのが残る。

ニュートンが自ら微積分で運動方程式を表したかどうか不明。

１９世紀マクスウェルは電磁気学を微積分で説明。

但し、彼らの時代にはまだベクトル(行列)の考えがなかったことに注意。

マクスウェル

交流波はもうすぐアンテナから飛び出して電磁波になるぞよ。

電気と磁気の究極の融合じゃ。

フレミング

電磁気は左手と右手で覚えると覚えやすいよ。

本当は２極真空管整流作用の発見者だよ。

マクスウェルが電磁気を数式で表して、

フレミングが電磁気を手で表したの？


大学生のお兄さんが高校生に説明する。

交流波も波、電磁波も波、レーザーも波、放射線も波、レーダーも波、音波も波、超音波も波、水面波も波、地震波も波　

電磁波は、電界と磁界が互いに電磁誘導で相手を発生させあう波

秒速30万キロメートルで進む

波長の短い順に、ガンマ線、エックス線、紫外線、可視光線、赤外線、電波

電磁波のうち、波の振動する面がそろっているのが偏光

電磁波のうち、単一波長で同位相で、拡散しないのがレーザー

放射線は、電離作用のある電磁波および粒子線

電磁波のうちガンマ線とエックス線

粒子線として、アルファ線(ヘリウム原子核)、ベータ線(電子線)、中性子線など

レーダーは物体を探知し、距離を測る

空中では電波、水中では超音波を使う

音波と超音波は、空気、水その他の物質が振動する波

音の３要素　振幅→音の大きさ　波長・周波数→音の高さ　波形→音色

地震波　Ｐは縦波　Ｓ波は横波

Ｐ波が届いてからＳ波が届くまでの初期微動継続時間で震源までの距離が分かる

地盤、建物の材質や形で、共振周波数が変わってくる

どの研究領域で、どの波のどの波長領域を使っているかにも注目すると、

オープンキャンパスでの情報収集も違ってくるかも　




フレミング左手、電・磁・力



フレミング右手、ローレンツ力



抵抗、誘導リアクタンス、容量リアクタンス



フレミング右手






運動エネルギーと位置エネルギー



ボイル＝シャルル




アボガドロ数、ボルツマン定数



等速円運動



弦の振動、定常波








マイケルソン・モーレー



アインシュタイン



プランク



再びローレンツ力