目次〈Ⅰ．基礎編〉

第1章

物理の考え方：物理基礎 ………………………………………………………………11. 1 物理とは …………………………………………………………………………………………11. 2 物理量と単位系 …………………………………………………………………………………11. 3

有効数字と標準偏差 ……………………………………………………………………………3

1. 4 基本単位の定義 …………………………………………………………………………………4
1. 5

物理量の次元 ……………………………………………………………………………………6演習問題 ………………………………………………………………………………………………7〈Ⅱ．力学編〉

第2章速度と加速度：運動論 12 ……………………………………………………………92. 1 運動と距離，変位 ………………………………………………………………………………92. 2 平均の速さ ……………………………………………………………………………………102. 3速度（瞬間速度）………………………………………………………………………………102. 4 加速度 …………………………………………………………………………………………112. 5導関数（微分係数）……………………………………………………………………………12演習問題 ………………………………………………………………………………………………13第3章

直線運動と平面運動：運動論 22 ……………………………………………………153. 1 等速直線運動 …………………………………………………………………………………153. 2 等加速度直線運動 ……………………………………………………………………………163. 3

積分 ……………………………………………………………………………………………173. 4 平面運動 ………………………………………………………………………………………183. 5放物運動 ………………………………………………………………………………………19

演習問題 ………………………………………………………………………………………………22第4章

運動の法則：力学 14 …………………………………………………………………25
4. 1 ニュートンの運動論への進展 ………………………………………………………………25
4. 2 慣性の法則 ……………………………………………………………………………………25
4. 3

運動の法則 ……………………………………………………………………………………26

4. 4 作用・反作用の法則 …………………………………………………………………………27
4. 5

万有引力の法則 ………………………………………………………………………………27

演習問題 ………………………………………………………………………………………………29

vi 目

次第5章

力と運動量：力学 24 …………………………………………………………………32
5. 1

力の定義と質量 ………………………………………………………………………………32

5. 2

4 つの基本力 ……………………………………………………………………………………33

5. 3

様々な力 ………………………………………………………………………………………35

5. 4

運動量と力積 …………………………………………………………………………………37

5. 5

運動量保存の法則と衝突 ……………………………………………………………………38

演習問題 ………………………………………………………………………………………………41

第6章

仕事とエネルギー：力学 34 …………………………………………………………43
6. 1

仕事と仕事率 …………………………………………………………………………………43

6. 2 運動エネルギーと位置エネルギー …………………………………………………………44
6. 3

力学的エネルギー保存の法則 ………………………………………………………………45

6. 4

仕事と運動エネルギー ………………………………………………………………………46

6. 5

熱と仕事（エネルギー保存の法則）…………………………………………………………46

演習問題 ………………………………………………………………………………………………49

第7章

円運動と単振動：力学 44 ……………………………………………………………51
7. 1

等速円運動の速度 ……………………………………………………………………………51

7. 2 等速円運動の加速度，向心力 ………………………………………………………………52
7. 3角運動量保存の法則 …………………………………………………………………………54

7. 4

フックの法則と単振動 ………………………………………………………………………55

7. 5

単振り子 ………………………………………………………………………………………56

演習問題 ………………………………………………………………………………………………57

第8章

剛体と流体：剛体力学と流体力学 …………………………………………………59
8. 1

剛体と質量中心 ………………………………………………………………………………59

8. 2 角運動量と力のモーメント …………………………………………………………………60
8. 3

剛体の力のつり合い …………………………………………………………………………63

8. 4

剛体の回転運動 ………………………………………………………………………………64

8. 5

流体と圧力 ……………………………………………………………………………………65

演習問題 ………………………………………………………………………………………………68〈Ⅲ．様々なエネルギー編〉

第9章

熱力学 …………………………………………………………………………………69
9. 1

温度と熱平衡 …………………………………………………………………………………69

9. 2 理想気体の状態方程式 ………………………………………………………………………71
9. 3

エネルギー保存の法則 ………………………………………………………………………72

9. 4

エントロピー増大の法則 ……………………………………………………………………73

9. 5

熱機関のサイクル ……………………………………………………………………………74

目演習問題第 10 章次……………………………………………………………………………………………77振動・波動 ……………………………………………………………………………78
10. 1 波の基本特性 …………………………………………………………………………………78
10. 2 波の伝播の原理と反射・屈折の法則 ………………………………………………………80
10. 3

音と超音波 ……………………………………………………………………………………82

10. 4 光とレーザー …………………………………………………………………………………8410. 5 ドップラー効果 ………………………………………………………………………………85
演習問題 ………………………………………………………………………………………………87

第 11 章電磁気 …………………………………………………………………………………89
11. 1 静電力と電荷保存の法則 ……………………………………………………………………89
11. 2 クーロンの法則と電気力線 …………………………………………………………………90
11. 3

電流と電気回路の法則 ………………………………………………………………………91

11. 4 磁石と電流の作る磁場 ………………………………………………………………………94
11. 5 電磁誘導と電磁エネルギー …………………………………………………………………96演習問題 ………………………………………………………………………………………………99

第 12 章原子物理 ……………………………………………………………………………101
12. 1 原子の構造 …………………………………………………………………………………101
12. 2 原子核の構成と原子番号 …………………………………………………………………101
12. 3

核エネルギー ………………………………………………………………………………102

12. 4 原子核の崩壊 ………………………………………………………………………………106
12. 5 放射線 ………………………………………………………………………………………107
演習問題 ……………………………………………………………………………………………110〈Ⅳ．特別編〉

第 13 章生物物理と医学物理 ………………………………………………………………112
13. 1 生命の起源と進化 …………………………………………………………………………112
13. 2 生命体の構成と細胞 ………………………………………………………………………113
13. 3

生体の物理 …………………………………………………………………………………114

13. 4 医療診断 ……………………………………………………………………………………116
13. 5 治療 …………………………………………………………………………………………118
演習問題 ……………………………………………………………………………………………120

第 14 章素粒子物理と宇宙物理 ……………………………………………………………122
14. 1 物質，時間，空間の概念の進展 …………………………………………………………122
14. 2 物質の階層構造と 4 つの力の統一の発展 ………………………………………………124
14. 3

宇宙の生成と膨張 …………………………………………………………………………125vii

viii 目次

14. 4 暗黒物質と暗黒エネルギー ………………………………………………………………128
14. 5 宇宙の未来 …………………………………………………………………………………129
演習問題 ……………………………………………………………………………………………131

付録 ………………………………………………………………………………………………133演習問題

解答例 ………………………………………………………………………………138

索引 ………………………………………………………………………………………………143

物理クイズ①：月面での質量（3 択問題）………………………………………………7②：くぼみのある坂道での競走（3 択問題） ……………………………13③：タワーからの落下位置（3 択問題） …………………………………21④：台車の加速（3 択問題） ………………………………………………29⑤：ニュートンのゆりかご（4 択問題） …………………………………40⑥：崖からの 3 方向放物（4 択問題） ……………………………………48⑦：振り子の落下時間（3 択問題） ………………………………………56⑧：大根の 2 分割（3 択問題） ……………………………………………67⑨：首飾りの回転（3 択問題） ……………………………………………76⑩：音の高低と光の色彩の識別（3 択問題） ……………………………87⑪：回路と消費電力（3 択問題） …………………………………………98⑫：放射線の水中での速さ（3 択問題）…………………………………109⑬：生涯の心臓の鼓動（3 択問題）………………………………………119⑭：光速ロケット（3 択問題）……………………………………………130

目

映画の中の物理①：中世の 4 元素説と未来の反物質（映画『天使と悪魔』）……………7②：列車の暴走エネルギー（映画『アンストッパブル』）………………13③：水ロケットの放物運動（映画『真夏の方程式』）……………………22④：宇宙遊泳の慣性運動（映画『ゼロ・グラビティ』）…………………29⑤：地球接近小惑星の衝突（映画『アルマゲドン』）……………………40⑥：火星での高跳び（映画『ジョン・カーター』）………………………48⑦：振り子運動と加速（SF 映画『スパイダーマン』）…………………57⑧：風船で家を浮かせられるか？（映画『カールじいさんの空飛ぶ家』）…67⑨：華氏温度と自然発火温度（映画『華氏 451』）………………………76⑩：太陽の活動期（映画『サンシャイン 2057』） ………………………87⑪：コンピュータと人間社会（SF 映画『マトリックス』）……………98⑫：核融合エンジン（映画『バック・トゥ・ザ・フューチャー』と『2001 年宇宙の旅』） …………………………………………………109⑬：遺伝子による差別と未来社会（SF 映画『ガタカ』） ……………120⑭：地球外惑星と宇宙資源（映画『アバター』）………………………130

科学史コラム①：古代ギリシャの自然学 …………………………………………………8②：アリストテレスの運動学………………………………………………14③：ケプラーの天上の力学の法則…………………………………………23④：ガリレオの地上の力学の法則…………………………………………30⑤：ニュートンの力学の統一と現代的発展………………………………41⑥：エネルギーの語源………………………………………………………49⑦：ニュートンの人工衛星と万有引力の伝播……………………………58⑧：アルキメデスの浮力とテコの原理……………………………………68⑨：熱素と分子運動のエネルギー…………………………………………77⑩：光は波か粒子か？………………………………………………………88⑪：電磁気学の歴史…………………………………………………………99⑫：原子モデルの歴史的変遷 ……………………………………………110⑬：生命の起源とプラズマ物理 …………………………………………121⑭：大数仮説と人間原理 …………………………………………………131

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