広島工業大学紀要教育編
第 20 巻（2021）43-52

報

告基礎物理 WORKBOOK－ HIT 基礎物理学シリーズ 4 －
尾崎

徹＊・鈴木

貴＊＊

（令和2年10月20日受付）

BASIC PHYSICS WORKBOOK－ HIT Basic Physics Textbook Series 4 －Tōru OZAKI＊ and Takashi SUZUKI ＊＊（Received Oct. 20, 2020）

Abstract
Four textbooks of basic physics have been published in series in our Institute. Their titles
are Basic Mechanics for Science and Technology（2nd ed.），Basic Physics Workbook（2nded.），Basic Mechanics Workbook（3rd ed.），and Basic Experimental Physics for Science andTechnology（4th ed.）．The teaching staffs responsible for the basic physics education haveedited and revised these textbooks which are used for lectures, exercises and experiments,of physics linking to engineering subjects. The present report describes the backgroundon the publication, the editorial policy, the contents and the educational effects, of Basic
Physics Workbook. This Workbook covers a wide field of basic physics introduced with theelectromagnetic, thermal and quantum properties of condensed matter. The Workbook has been
actively used as the textbooks for six subjects and the study-aid books for three subjects. Some
plans including the future revision are proposed to make the engineering education reliable both
inside and outside the Institute.
Key Words: basic physics workbook, engineering education, linking education, educational effects「基礎物理 WORKBOOK〈第 2 版〉」［5］が使われてきた．

1．はじめにいずれも，高校物理⇒大学物理⇒専門科目の間のギャップ

本学の学生は，理工学の基礎力を身に着けるために物理が滑らかになるように工夫されている．また，学生の学習学を学んでいる．その教科書として，本学の教員が作製し歴と習熟度に応じた教育ができるように編集されている．

た 4 冊が採用されている［1］．基礎物理学 A と B では「工教科書 4 冊に共通した方針は，題材を身の回りの現象と科系のための基礎力学〈第 2 版〉」［2］，基礎物理学 A 演

高校物理から採用して，その出発点の法則を，高校で学ん

習と B 演習では「力学 WORKBOOK〈第 3 版〉」［3］，物だベクトルと微分積分の数学を使って表現すること．それ

理学実験では「工科系のための物理学実験〈第 4 版〉」［4］，を展開して得られた式をグラフと言葉で表すことができる

情報学部の基礎物理学 B と電気系 2 学科の専門科目ではようになることである．それがニュートンの始めた解析的＊＊＊

広島工業大学名誉教授（Professor Emeritus at Hiroshima Institute of Technology, E-mail: ozaki@cc.it-hiroshima.ac.jp）
広島工業大学工学部電子情報工学科教授― 43 ―

尾崎

徹・鈴木

貴

な方法であり，理工学で学ぶ専門科目のお手本になる．高
校数学と高校物理はそれぞれ高校の指導内容であるが，高校の微分積分とベクトルを使って高校物理を展開することは大学の物理学の内容になっている［6］．高校で物理を学ばなかった学生でも，中学理科で物理へ入門しており，入学前セミナーを受講して高校の数学と物理を準備すれば［7］，入学後に基礎物理学 A と B を履修して理工学を学ぶために必要な基礎力と教養が身に着く．
例えば，入学前セミナーの物理では，物体の位置座標の時間変化を観測したデータの表をもとにして放物線などの軌道をグラフに描く．そのグラフから，物体の軌道，速度，
加速度と物体に作用する力を得る．同様に，基礎物理学を学びながら，理工学の言語である数学の意味と使い方も身に着ける．そのことでも専門の先生方から評価されている［8］．物理学に裏打ちされた理工学の基礎力を身に着けてする仕事は社会から信頼を受けるからである．
理工学の信頼性の向上には目を見張るものがある．国際単位系では，2019 年に国際キログラム原器の質量を 1 ㎏とする定義が廃止されて，新たにプランク定数 h〔Js〕から1 ㎏が定義された［9］．理工系の人は，分野を問わず，量図１

子力学を基盤にして仕事をしている．そういう時代が到来

基礎物理 WORKBOOK〈第 2 版〉［5］

したことになる．教科書 4 冊が時代に適合し，また基礎物
理教育の役割を果たしているかどうかは，国内外の物理学

しっかり学ばせて，理工系の足腰を鍛えてやりたい．そうと物理教育の動向に照らして，つねにチェックされている

しないと卒業生が企業で働く場所がなくなる．」と言われ［1］．4 冊を改訂した状況は付録 A にまとめている．

た．本学は，開学以来 60 年間，基礎学力を身に着けた学

本報告では「基礎物理 WORKBOOK」（図 1）の作製経緯，

生を送り出すことによって社会から信頼されてきた．それ

編集方針と特色，内容，利用状況，本学の学生に適した教は，本学の存在価値として，ますます重要になっている．

科書にするための課題，について報告する．さらに，教科2007 年度から情報学部で開講する基礎物理学の内容は，

書 4 冊を使った基礎物理教育によって本学が社会から信頼

物理担当グループの提案が受け入れられた．基礎物理学Ⅰを受ける方策を述べる．基礎物理 WORKBOOK を除く 3

では質点の力学を力学的エネルギー保存則を含めて学ぶ．

冊については，本紀要の教育編の報告書［10］，
［11］，
［12］

そうして，物理学の考え方と微分積分の使い方を身に着ける．基礎物理学Ⅱの電磁気学は専門科目の電気回路へ接に，それぞれ紹介されているので，ご覧いただきたい．

続させる．そのために，抵抗器，コンデンサー，コイルの２．基礎物理WORKBOOKの作製の経緯

性能をそれぞれ表す，電気抵抗 R ，電気容量 C ，インダク

2005 年，翌年に新設される情報学部のカリキュラムを

タンス L の物理的意味を理解する．それをステップにして，計画しておられた先生方から物理担当グループへつぎのよ

微分積分を使いながら電磁気現象と法則を学ぶ．その法則

うな連絡が入った．「情報学部の情報工学科と知的情報シにしたがって空間を伝わる電磁波を図解する［13］．

ステム学科の 2 年次の必修科目として基礎物理学ⅠとⅡ

基礎物理学Ⅰの教科書は「工科系のための基礎力学」［2］を，また選択科目として物理学実験を開講したいので，内が適している．また，物理学実験の教科書には「工科系容を提案してほしい．」「情報工学科ではハードとソフトののための物理学実験」［4］が適している．しかし，基礎物両面を学ばせたい．どちらを学ぶにも，理工学の基礎であ

理学Ⅱの電磁気学に適した既刊の教科書は見当たらなかっる物理学の考え方を身に着けさせたい．ソフトが中心の知た．そのため，新しく書き下ろすことになった．つぎに，的情報システム学科でも，物理学の考え方を身に着けさせ「工科系のための基礎力学」のような教科書の形にするか，たい．」「情報学部の基礎物理学Ⅱでは電磁気学を教えてほそれとも「力学 WORKBOOK」のような演習書に近い形しい．」ということであった．準備委員の先生は，「専門科にするかを検討した．当時は，ゆとり教育のもとで学ん目の開講数を減らしてでも，物理学のような基礎科目をだ足腰の弱い学生が大挙して入学する，いわゆる「2006― 44 ―

基礎物理 WORKBOOK

年問題」が予告されていた．それを解決する物理の教科

物理を舞台にして踊るのは物質であり，物質の振舞いで書として，力学 WORKBOOK はすでに本学で実績を上げ

ある物性を私たちは利用しています．物性が現れるときにており，国公私立大学や高専でも採用されていた［11］．

電気力と磁気力が重要な働きをします．それは，物質がた

そこで，基礎物理学Ⅱの教科書のタイトルを「基礎物理

くさんの原子によって構成されており，原子が正電荷をもWORKBOOK」とした．しかし，本学の学生に役立つこつ原子核と負電荷をもつ電子によってできているからでとを最優先した．具体的には，基礎物理 WORKBOOK では，す．そこで，WORKBOOK を身近な物質のなりたちと物姉妹編の力学 WORKBOOK よりも演習書の性格を抑えて，性からスタートさせて，テーマを 19 に分けました．はじ

学習帳（WORKBOOK）の性格を強くした．演習問題のペー

めのテーマ 1 から 9 はつぎのように展開します．「物質はジは，解説を補うための例題の役割もしている．その解答・原子が集まってできる」⇒「原子の集まりかたによって物

解説は巻末にあり，講義内容を自学自習することができる．

質中の電子の状態がきまる」⇒「電子の状態がちがうと物今でも，「これを一冊仕上げたら，その人が著者になりま性がちがう」⇒「電子の流れが電流の正体である」⇒「電す．」と，ガイダンスの時に説明している．

流が流れる導線は磁場から力を受けて動力源（モーター）

タイトルを「基礎物理 WORKBOOK」として「電磁気になる」⇒「導線が磁場を横切ると電圧が発生する（発電WORKBOOK」としなかった理由は二つある．一つは，する）」．この順序で電磁気学の基礎を学びながら，電気抵

物質になじんだうえで電磁気学を学ぶと現象を実感しやす

抗 R ，電気容量 C とインダクタンス L の物理的な意味をいと考えてきたからである．なぜなら，電磁気現象は私た理解します．つづくテーマ 10 から 12 では，「電気回路をちの身の回りの物質を介して，重力よりもはるかに強い電

つくって電力を利用したり情報を伝達したりする」方法を磁力が作用することによって起こる．また，電磁波は，真直流と交流について学びます．そして，テーマ 13 と 14 で空中でも物質中でも伝わるが，発生するのは物質中であは，「電流が回路の中で振動してアンテナから電磁波が飛る．レーザー然りである．もう一つは，当時，電子・光シぶ」こと，また「光は電磁波として物質と相互作用するこ

ステム工学科の開講科目であった，光学，量子物理学，量とによっていろんな現象を示す」ことを学びます．テーマ

子エレクトロニクスのやさしい教科書としても使いたかっ15 からは，それまでに学んだことを深めます．テーマ 15

たからである．ちょうど，「基礎物理学 I，II ⇒ 光学 ⇒と 16 では，現代のエレクトロニクスが「光と電子の波動

量子物理学 ⇒ 量子エレクトロニクス」という教程（今で性と粒子性」を利用することを学びます．テーマ 17 と 18

いうカリキュラムツリー）が軌道に乗りつつあった．タイは，熱をふくむエネルギーの問題にとりくむための基礎で

トルには基礎物理として「学」をつけず，「物」と「理」

す．「物質のエネルギーは，物質を熱が出入りすることにの実質的な関係に集中してもらうことにした．基礎物理

よって変化する」ことをマクロな視点とミクロな視点の両WORKBOOK の作製は，HIT 教育機構のプロジェクトの方から学びます．最後のテーマ 19 ではミクロな視点を深一環として行われた［8］．

めます．「マクロな物質のエネルギーはミクロな原子レベ
ルから見積られる」こと，「物質と光の相互作用は原子集

3．基礎物理WORKBOOKの編集方針と特色

団と光子の相互作用であり，それを利用してレーザー光を基礎物理 WORKBOOK の初版は 2007 年 3 月に発行さ発生させる」ことを学びます．こうして，現代物理学へ入れた．その編集方針，特色と使い方を「まえがき」に書い門します．

て，教員と学生が活用しやすいように配慮した［5］．

各テーマに Note と問題を平均 6 個ずつ配置しています．
Note を読んで各テーマの目的とポイントをつかんだら，

まえがき

問題文や図にしたがって考察を進めます．計算，考察の過本書「基礎物理 WORKBOOK」は「力学 WORKBOOK」

程と解答は広い余白にきちんと書き込んで，授業でチェッ（東京教学社）の姉妹編です．理工学の初学者が，物理学クするか，解答・解説を見てチェックします．問題数は多の自主的なトレーニングを積んで，理工学を学ぶために必くありませんが，テーマ内外の Note や問題と強くリンク

要な基礎力を身に着ける教科書です．身近な物理現象や物しており，そのネットワークの中で理解を定着させます．

質，電気製品や電子機器を題材にした問題を楽しく解きな以上を繰り返しながら，「理工系の思考回路」と「自学自がら，電磁気学，電気回路，波動光学，量子物理学，熱・習の習慣」を身に着けます．それが，理工学を学ぶための

統計力学，物性物理学などの初歩的な理解を積み重ねます．

基礎力になります．

そうして，理工学の見かた，考えかた，解析的な表現方法「基礎物理 WORKBOOK」につぎの⑴－⑹の特色をもたと学習のしかたを身に着けます．高校の数学Ⅱまでを履修せました．

していれば，楽にはじめることができます．

⑴テーマ 1 の内容を物質のなりたちと物性にしたことは述べまし― 45 ―

尾崎

徹・鈴木

貴

た．珍しいはじめかたですが，その内容がわかっていると，
テー「まえがき」の特色⑸のなかで「物理学の科学技術へのマ 2 から学ぶ物理現象の実態をつかみやすいのです．

応用例」をたくさん演習問題の題材にしたことを述べた．

⑵問題文の意味を読みとって図や式で表す訓練と，導いたその題材を探して演習問題にするとき，日米の学生と五感式の意味を文章やグラフで説明する訓練をします．その訓をフルに活用して体験した「100 円ライター大解剖」［14］

練不足が物理を苦手にさせるからです．物理を考える訓練

が大いに役に立った．演習問題では，学生が自然現象や電をするためにページをさきました．

気機器のカラクリを順序だてて明かすように問いかけた．

⑶各テーマの出発点を明確にして原因と結果を混乱させない

4．基礎物理WORKBOOKの内容

ようにしました．混乱すると物理が見えなくなるからです．実験結果を出発点にするときはそのことを宣言し，新しい物理量

基礎物理 WORKBOOK の内容は，目次のテーマ名とを導入するときはその理由を明記しました．その実験からわか

Note のタイトルから推測することができる．できれば，ることと応用できることを問題にしています．

第 2 版を手に取って，図や写真を確認していただきたい⑷マクロな物質に生じる物理現象をミクロな原子レベルか［5］．演習問題は 121 題あり，すべてにタイトルがついてら理解する姿勢が芽生えるようにしました．それが現代のいる．

科学技術を進めるために必要だからです．ミクロな見かた
目によって，目から鱗がとれることを期待しています．

次⑸物理学が科学技術へ積極的に応用されていることにも目

テーマ 1

物質と電子 …… 1が向くようにしました．コピー機，国際電話，電気自動車，

Note 1.1原子の大きさモーター，エレキギター，地球の帯電，磁束計，電磁調理Note 1.2原子の質量器，オシロスコープ，パラボラアンテナ，ドップラー効果，

Note 1.3

電荷のキャリヤー

携帯電話機，電子レンジ，フラッシュつきカメラ，電子銃，

Note 1.4電子のエネルギー準位と電子配置

発光ダイオード，温室効果，地震動エネルギー吸収システ

Note 1.5

物質のなりたちと物性

ム，相転移，エンジン，ヒートポンプ冷暖房機，宇宙の誕

Note 1.6

導体，半導体，不導体＝絶縁体＝誘電体

生，レーザー装置，…などを題材にした問題を解きながら，

Note 1.7

ダイヤモンドは永遠に？

物理学が理工学の母体であり，現代のものづくりに指針を

Note 1.8

アイソトープ

動機を持続させてくれます．

テーマ 2

電子の運動と電流 …… 10⑹演習の教科書としてだけでなく，講義の教科書としてもNote 2.1

自由電子

つかえるようにしました．そのために，各テーマの目的，

Note 2.2

電池

ポイントと注意点をまとめた Note，問題文と解答・解説

Note 2.3

電流の正体の記述を充実させ，図，グラフと写真をたくさん掲載しまNote 2.4電流与えつづけていることに気づきます．それが物理学を学ぶした．各テーマの Note を講義していくつかの問題を例題として説明したら，翌週を演習の時間にして講義内容を定

テーマ 3 電場による電子の運動と電気抵抗 …… 17

着させることができます．

Note 3.1

クーロン力から電場

本書では，「テーマ 1 物質と電子」からスタートしますNote 3.2

電位が，物質の電磁気学的な性質に深くは立ち入りません．そNote 3.3

電場と電位のため，電場 E と磁束密度 B が登場して，電束密度 D（＝Note 3.4

電気抵抗とオームの法則

εE）と磁場 H（＝ B/μ）は登場しません．磁場は「磁束Note 3.5

電力量とジュール熱に比例するベクトル量としてあつかいます．また，電気回

テーマ 4

クーロン力と電場 …… 25

路でつかうコイルの記号はソレノイドそのものです．磁束Note 4.1

クーロンの法則

がコイルを貫いていることを意識してほしいからです．

Note 4.2

点電荷がつくる電場「基礎物理 WORKBOOK」がみなさんに広く活用される

Note 4.3

電気力線

教科書になることを目指します．ご意見をいただくことがNote 4.4

等電位面

できれば幸いです．

Note 4.5

電場のガウスの法則

密度 B の磁場」と表します．電流 I は電子の平均速度 v

2015年9月

著者― 46 ―

基礎物理 WORKBOOK

テーマ 5

電場から電気容量 …… 33

Note 13.2

コイルに蓄えられる磁場のエネルギー

Note 5.1 電気容量

Note 13.3

電束電流

Note 5.2

Note 13.4

真空を伝わる電磁波

Note 13.5

アンテナ

電気双極子モーメントテーマ 6

電流が磁石に …… 39

Note 13.6

進行する電磁波の図解

Note 6.1

磁力線

Note 13.7

電 磁 波のエネルギーとポインティングベクトル

Note 6.2

磁束密度Note 13.8

ドップラー効果

Note 6.3

アンペールの法則
テーマ 14

光と物質の相互作用1テーマ 7

電流が磁場から受ける力 …… 46

Note 14.1

電磁波の波長と振動数

Note 7.1

ローレンツ力Note 14.2

波を表す物理量Note 7.2

電流が磁場から受ける力

Note 14.3

平面波の等位相波面

Note 7.3

電流値 1 A

Note 14.4

サイクル平均強度

Note 14.5

波動方程式

発電 …… 52

電磁波と光 …… 118

テーマ 8

電磁誘導1

Note 14.6

波の重ね合わせと干渉

Note 8.1

磁束Note 14.7

縦波と横波

Note 8.2

電磁誘導

Note 14.8

光は電磁波

Note 8.3

電磁誘導の法則

Note 14.9

コヒーレンス（可干渉性）

Note 8.4

誘導電場

Note 14.10 光が電磁波として示す現象

Note 8.5

エレキギターのピックアップコイル
テーマ 15 光と電子の2重性 …… 136

テーマ 9 電磁誘導2インダクタンス …… 62

Note 15.1

光の発生

Note 9.1

自己誘導と自己インダクタンス

Note 15.2

光と電子の 2 重性Note 9.2

相互誘導と相互インダクタンス

Note 15.3

光の強度とエネルギー

Note 9.3

渦電流

Note 15.4

光電効果

Note 9.4

表皮効果

Note 15.5星が見えるわけ

Note 15.6

p 型半導体と n 型半導体

テーマ 10電気回路1Note 10.1電流計と電圧計の仕組み

テーマ 16 電子の量子力学 …… 147

Note 10.2

合成抵抗

Note 16.1

電子の波動性

Note 10.3

合成容量

Note 16.2

不確定性関係Note 10.4

キルヒホッフの法則

Note 16.3

量子化

Note 16.4

シュレーディンガー方程式

Note 16.5

トンネル効果

テーマ 11電気回路2直流 …… 73

交流の発電と実効値 …… 85

Note 11.1

交流の発電

Note 16.6

スピンとパウリの原理

Note 11.2

交流Note 16.7

バンド構造

Note 11.3

交流の実効値

Note 11.4

エジソン vs テスラ

テーマ 17物質のエネルギー変化1 内部エネルギー … 160

Note 17.1

気体の圧力

テーマ 12 電気回路3リアクタンスと共振 …… 95

Note 17.2

物質量 mol

Note 12.1

コイルのリアクタンス

Note 17.3

理想気体の状態方程式

Note 12.2

コンデンサーのリアクタンス

Note 17.4

絶対温度とセルシウス温度

Note 17.5

内部エネルギー

電気エネルギーと電気振動による電磁波のNote 17.6

ボルツマン定数

発生 …… 106

Note 17.7

エネルギー等分配則

コンデンサーに蓄えられる静電エネルギー

Note 17.8

温室効果ガステーマ 13Note 13.1― 47 ―

尾崎Note 17.9

徹・鈴木

熱量と力学的エネルギーの比較

貴理解して力を着けてもらう．そのための「WORKBOOK

Note 17.10 相転移の利用法」をフローチャートにして説明している．付録 Bをご覧いただきたい．

テーマ 18物質のエネルギー変化2 熱力学法則 …… 173

Note 18.1

熱流戦争，鏡の中の私，モーツアルトとドップラーのチョコ

Note 18.2

外部からされる仕事

レート，夏目漱石の三四郎にある物理学実験，星が見える

Note 18.3

熱力学第 1 法則

わけ，などが出てくるので，読み物としても楽しめる．

Note 18.4

気体の状態変化

Note 18.5

比熱Note 18.6

熱機関と熱効率

Note 18.7

ヒートポンプ冷暖房

使ってきた 7 科目とこれから使う 1 科目，合わせて 8 科目

Note 18.8

エントロピーの利用状況を紹介する．加えて，授業以外に利用された例

Note 18.9

不可逆変化も紹介する．（現在は，（6）を除いてすべて選択科目であ

映画 007，ベートーベンの運命，エジソンとテスラの電5．基礎物理WORKBOOKの利用状況
基礎物理 WORKBOOK を教科書または参考書としてる［13］．詳細はシラバスをご覧いただきたい．）

Note 18.10 熱力学第 2 法則
Note 18.11 熱力学第 3 法則⑴

Note 18.12 ヘルムホルツの自由エネルギー

基礎物理学 B（2019 年度で廃止）

開講：情報工学科，知的情報システム学科，1 年後期［13］．
テーマ 19

光と物質の相互作用2 2準位系の統計力学

担当：尾崎…… 191

徹，鈴木貴．

範囲：テーマ 1 － 9，13．

Note 19.1

熱浴

利用：教科書，過去問集

Note 19.2

ボルツマン因子

内容：授業では，各テーマの目的と Note の内容を教員がNote 19.3

分配関数とエネルギーの平均値

読んで説明する．必要に応じて問題を解いて見せる．学生

Note 19.4

2 準位系に問題を割り当てる．翌週，学生は解答を板書してみんなNote 19.5

2 準位系の状態数とエントロピーの前で説明する．学生の説明不足は，教員が学生と問答しNote 19.6

吸収 , 自発放出 , 誘導放出て補う．典型的な物質の構造と電子の運動を学んだ後に，

Note 19.7

プランクの放射法則

電気抵抗 R ，電気容量 C とインダクタンス L の物理的なNote 19.8

星の温度

意味を学ぶ．その過程で，電気抵抗，コンデンサーとコイ

Note 19.9

レーザーと反転分布

ルが電気回路の中で果たす役割を理解する．同時に，ベク

Note 19.10 レーザー装置

トルと微分積分によって表される電磁気現象の法則を理解

Note 19.11 非平衡開放系

して，空間を伝わる電磁波を図解する．
評価：R ，C と L のテーマがそれぞれすんだタイミングで

付録1

水素原子の電子密度分布 …… 207

テストをする．演習問題とほぼ同じ問題を出題する．3 回

付録2

水素原子のシュレーディンガー方程式とのテストの得点に予習と発表の成績を加えて評価する．

電子密度分布 …… 208
付録3

マクスウェル方程式 …… 210⑵

付録4

数学公式 …… 212

開講：電子情報工学科 2 年前期

光学（2020 年度で廃止．
「⑶波動と熱の物理」に一部吸収）

担当：尾崎
解答と解説 …… 215

徹

範囲：テーマ 13 － 15
利用：参考書．過去問集．

各テーマの目的と Note のページに続いて演習問題の内容：授業では，電子工学で利用する電磁波，音波などのページがある．基本的に 1 問が 1 ページに割り当てられて波動の変位と強度の表し方を習得する．それらを使って，おり，問題文に続いて解答を書き込むためのスペースがあ

電磁波が示す反射，屈折，干渉，回折，分散，散乱などのる．問題文と図の占める量が多いときは，次ページがまる

波動現象を表してそれらの機構を理解する．ダブルスリッ

まる解答するためのスペースになっている．

トの干渉実験を演示して解析してもらう．さらに，回折格子，偏光子，干渉計など光学機器の原理と利用法を学ぶ．

演習問題と演習問題の間にはテーマを越えて強いつながりをもたせており，演習問題のネットワークの中で物理を― 48 ―

基礎物理 WORKBOOK⑶

波動と熱の物理（2021 年度から開講）

担当：尾崎徹（2018 年度まで）

開講：電子情報工学科 2 年前期

範囲：全テーマ 1 － 19

担当：鈴木

利用：教科書．

貴

範囲：テーマ 13，14，15，17，18．

内容：ゼミに配属された 3 年生は，基礎物理 WORKBOOK

利用：参考書．問題集．

を教科書にして，電磁気学をミクロな視点から学び直す．また，

内容：電子情報工学で利用する波動の表し方と波動現象を

電子情報工学の常識になるテーマ 1 － 19 の全問題を解いて，学ぶ．また，熱現象の法則，表し方と応用を学ぶ．

ゼミ形式で発表する．そうして，物理学を電子工学の基礎として使うための実力を身に着ける．ゼミ生が他大学の大学院を受験⑷

波動と熱の物理するための準備にもなった．

開講：電気システム工学科 2 年前期
担当：鈴木貴（2019 年度まで），⑻

松岡雷士（2020 年度から）

固体物性

開講：大学院工学系研究科電気電子工学専攻前期

範囲：テーマ 13，14，15，17，18．

担当：尾崎

利用：参考書．問題集．

範囲：テーマ 1 － 4，15，16．

内容：電気工学で利用する波動の表し方と波動現象を学ぶ．

利用：教科書．

また，熱現象の法則，表し方と応用を学ぶ．

内容：2010 年以前は，物性物理学の標準的な入門書を教徹（2019 年度まで）

科書にして構造物性と電子物性を講義していた．しかし，
⑸

量子物理学

学部での自己研鑽がたりない学生が増えたため，思い切っ

開講：電子情報工学科 2 年後期て，基礎物理 WORKBOOK の物性物理学と量子力学に関担当：尾崎徹（2018 年度まで），連した問題を教材にした．学生はそれを解いて来てゼミ形

鈴木貴（2019 年度から）

式で発表し，担当教員と議論をすることを通して理解を深

範囲：テーマ 15，16．

めた．議論の深さは学生の習熟度に応じて調節した．学生

利用：参考書．過去問集．

の到達目標を，「バンド構造の成因の理解と応用」に設定

内容：前半は，電子と光子が 2 重性を示す現象とその利用して，それを緩めることはしなかった．

法（光電効果，電子顕微鏡など）を学ぶ．WORKBOOKのテーマ 16，〔1〕の光回折実験を演示して不確定性関係⑼

を確認してもらう．後半は，光学で習得した波動の複素表

開講：電子情報工学科 1 年後期

示を物質波に適用して，電子の運動とその電子デバイスへ

担当：鈴木の応用（量子井戸，バンド構造など）を学ぶ．

範囲：テーマ 1 － 9

物質科学（2020 年度から開講）
貴利用：教科書．
⑹

量子エレクトロニクス（2020 年度で廃止．量子物理

内容：電気化学を物質科学へ進化させ，物質科学をベース

学へ一部吸収．）にして中高の理科から電気回路と電磁気学へ接続する基礎

開講：電子情報工学科 3 年前期

科目を新設した．「物質から入門する電磁気学」といえる．

担当：尾崎

徹

基礎物理 WORBOOK を教科書にして，まず，私たちの身範囲：テーマ 1，17 － 19．

の回りの物質のミクロな構造とその成因を学ぶ．つぎに，利用：教科書，過去問集．

そこで起こる電磁気現象とそれを表す法則を学ぶ．その過内容：前半は，多電子原子の電子配置と凝縮系物質の物性程で，ベクトル，微分積分などの数学の使い方も学ぶ．そとの関係を学ぶ．後半は，2 準位系の統計力学をよりどこ

うして電磁気学や電子工学へ接続する．そのためのノウハ

ろにして，光子と物質の相互作用を学び，レーザーの発振

ウは情報学部の基礎物理学Ⅱと B で 13 年間蓄えてきた．

原理とレーザー装置の仕組みを理解する．WORKBOOK のテーマ 16，〔1〕のレーザー光回折実験を演示して不確定性⑽

関係を検証したり，全員が輪ゴムを持って，テーマ 19，〔1〕のゴム弾性の実験をしてエントロピーを実感したりした．

その他
基礎物理 WORKBOOK は，大学の授業だけではなく，いろいろなところで利用されている．
中学理科や高校物理の内容は天から降ってくることが多⑺

専門ゼミナール

い．それを物 理 法 則から導いて理 解できることを基 礎 物 理

開講：電子情報工学科 3 年後期

WORKBOOK で学んだという知らせが中高の先生から届くこ― 49 ―

尾崎

徹・鈴木

貴

とがある．また，先生方から質問を受けて出した答えがオリジ

うして，両テーマを充実させる．

ナルなので，
改訂時に追記したことがある．とくに，
テーマ 14，〔 8〕⑷光と電 子の 2 重 性を学ぶテーマ 15 では，Note 15.1 の金属光沢，（10）はありがたかった．これからも素朴な疑問か④に光を発生させる方法の一つとして，電子と陽電子の対ら新しい知見が得られることを期待する．

消 滅をあげている．2019 年に，キログラム原 器 の 質 量を

小説家の友人から，テーマ 14，〔4〕鏡の中の私，を推

1 kg に定義することを廃止して，プランク定数 h から 1 kg

理小説のトリックに使ったという連絡を受けたことがあを定義することが決まった［9］．これを機に，④の例に陽電る．文科系の人もビビッと感じたそうである．

子放出断層撮影（PET）を，また〔1〕，（5）に電子と陽電本学の大学院生が博士学位論文の中で，ランタン La を子の質量からγ線のエネルギーを計算する問題を，追加する．

ドープしたチタン酸ストロンチウム Sr1-xLaxTiO3 が金属的

⑸量子力学のテーマ 16 では，問〔3〕水素原子の基底状態な伝導性を示す理由を説明した［15］．電子の波動性が構2 から，不純物半導体の内容を独立させる．そこでは，ドナー

造物性の大きいゆらぎを受けてバンド構造と電子物性を変レベルとアクセプターレベルの両方のエネルギーを導出して，電化させたことが原因であると結論している．そのときに子デバイスへ応用する条件を問う．また，波動関数が時間変テーマ 16，〔3〕水素原子の基底状態 2，（10）をヒントにした．

化する例として，トンネル効果の簡単な問題を加えたい．

やさしい内容を深く理解する大切さが証明された．本学の⑹物質のエネルギー変化のテーマ 17 と 18 に続いて，新た大学院工学系研究科博士後期課程の専攻名は知的機能科学に相転移のテーマを加える．そのために，いくつかのテー専攻であり，「科学」を専攻させる．高学年になるほど基マに散らばっている相転移に関連した Note と演習問題を

礎科学を重視しており見識が高い．なぜなら，今や工学の集める．学生には，「新しい相転移を見つけることは新し

最先端は理学の最先端と区別がつかないからである．これい機能性材料を見つけることに等しい！ 」と自説を説いては，高温超伝導単結晶薄膜の下地結晶に応用される伝導性

きた．新しいテーマではそれが直感できるようにしたい．

チタン酸ストロンチウムの構造相転移を研究して確信した⑺新型コロナウイルス感染症の流行によって身近になった［15］．学生は，工学と理学が出会ったことに気づくように，

非接触温度測定の原理をオンライン講義の中で紹介した．

基礎物理学を学んで待ち構えておいてほしい．

それをもとにして，テーマ 19 の Note 19.8 を充実させる．
⑻基礎物理 WORBOOK の特色である，物理現象をミクロ

６．基礎物理WORKBOOKの課題な視点から把握する姿勢を強化する．もう一つの特色であ

基礎物理 WORKBOOK は，2007 年に初版が発行された後，る物理学の応用例を増やす．ニュートンも科学工作をして2015 年に改訂されて第 2 版になり，2018 年に 4 回目の小さい

人に見せるのが好きだった．

改訂をした［5］．今後も改訂を重ねて，本学の基礎物理教育

7．基礎物理教育の課題に適した教科書にしてほしい．そのために提案をする．

本学の工学部の入学生は最初に基礎物理学 A を受講す
⑴全ての演習問題にタイトルがついている．それを目次にる．そこでは，物理学の典型的な考え方を質点の力学に絞っ掲載すれば，各テーマの内容が良くわかり，活き活きとして学ぶ．どの学科にも，力学から接続する専門科目があり役にて基礎物理 WORKBOOK に取り組んでみたくなる．また，立つ．質点の運動をベクトルと微分積分を使って正確に表現し，索引のかわりになって便利と思う．

物理法則にしたがって展開する．得られた結果はグラフと言葉⑵テーマ 12 の交流の電圧 V と電流 I を複素数で表してイで表現する．そうして，理工学を学ぶ基礎力を身に着ける．基ンピーダンス Z を導入すれば，V ＝ ZI の関係が成り立つ．

礎力の身に着いた人がする仕事は社会から信頼される．繰りZ の実数部は抵抗，虚数部はコイルとコンデンサーのリア

返すが，本学は，開学以来，基礎学力を身に着けた学生を社クタンスであり，回路の計算が簡単になることがある．そ会へ送り出すことによって信頼されてきた．開学から 60 年たち，

うすれば，光学での複素表示とも整合性が取れる．

本学の存在価値が問われるようになって，その重要さはさらに⑶光学の教科書としても使えるようにする．そのために，増している．基礎物理学 A と B の 2 科目のやさしい内容を履

波動のテーマ 14（光と物質の相互作用 1．電磁波と光）を修すれば理工学の基礎力と教養が身に着くのである．学生時

二つのテーマに分ける．一方は，波動の変位と強度の表し

代に物理学を学んでいつの間にか理工系の基礎力が身に着方，波動が伝わることによって生じるドップラー効果，干いたことを思い出してほしい．私達教員には，基礎物理科目を渉，回折などの波動現象とそれらの応用をテーマにする．

きちんと学ばせて社会へ送り出す責務がある．そのために，本他方は，電磁波が物質（電子やイオン）と相互作用しなが学の工学部に必要な教育方針について記録に留めておきたい．

ら伝わることにより生じる反射，屈折，分散，散乱などの⑴

光学現象とそれらを応用した光学機器のテーマにする．そ学生の習熟度に応じた基礎教育をする
本学の学生の学習歴と習熟度には大きい分布がある．教― 50 ―

基礎物理 WORKBOOK

育内容のレベルを維持するために習熟度別のクラス編成を謝してきた．そうして，社会へ出て信頼される仕事をする学

辞

基礎物理 WORKBOOK〈第 2 版〉の「表紙」，「まえがき」，

生を育ててきた．
基礎物理 WORKBOOK を含めた教科書 4 冊は習熟度別「目次」，「WORKBOOK の利用法」を本稿へ掲載することの教育ができるように工夫されている．習熟度が高い層にを承諾してくださった株式会社東京教学社に感謝します．

も低い層にも飽きさせない内容になっている．理工系の文教養も身に着く．ニュートンが運動方程式を発表するま献でに，アリストテレスからガリレオをへて 2000 年を要し

［1］広島工業大学 物理グループ，教育活動，2．教科書．

たこと．また，物体の運動を高い精度で予測するニュート

http://www.physics.cc.it-hiroshima.ac.jp/education2.html

ン力学が予測不可能なカオス現象を示すことが 20 世紀半［2］井上光，鈴木貴，尾﨑徹，中西助友，細川伸也，大政

ばにわかったことなど，具体例をとおして理解してくれる

義典，工科系のための基礎力学〈第 2 版〉，東京教学［2，3］．習熟度が向上して余裕のできた学生は，専門ゼミ

社（2019）．ISBN 978-4-8082-2059-4の中で，他流試合が（他大学の大学院を受験）できるレベ（Basic Mechanics for Science and Technology 2nd ed.）［3］ 井 上 光， 尾 﨑 徹， 鈴 木 貴， 山 本 愛 士， 力 学 WORK

ルへ鍛え上げる．そうして，本学の後継者を育てる．

BOOK〈第 3 版〉，東京教学社（2019）．ISBN 978-4-

習熟度別のクラス編成が難しいときは，手間はかかるが，

8082-2081-5（Basic Mechanics Workbook 3rd ed.）

つぎの⑵のように，一つのクラスの中で習熟度別に班編成［4］井上光，尾﨑徹，山本愛士，木舩弘一，小島健一，安をした教育が行われている．
⑵

塚周磨，工科系のための物理学実験〈第 4 版〉，東京

学生にハードの内容を積極的に体験させる．

教学社（2019）．ISBN 978-4-8082-2075-4

基礎物理 WORKBOOK で物理の応用例を学んだら，実験を体験することによって，ものづくりをするための底力（Basic Experimental Physics for Science andを着ける．原理丸出しの実験をして結果をまとめ，レポー

Technology, 4th ed.）トを書きながら考察をして，理工系の足腰と五感を鍛える．

［5］尾﨑徹，基礎物理 WORKBOOK〈第 2 版〉，東京教学「工学部の学生は物理学実験があることを覚悟して入学し社（2018）．ISBN 978-4-8082-2053-2ており，しかも，それを期待している［8］．
」2020 年カリでは，（Basic Physics Workbook 2nd ed.）［6］文部科学省，高等学校学習指導要領解説，理科編，理工学部 6 学科中 5 学科が物理学実験に期待をしてくださっ

数編（2009），実教出版．ISBN 978-4-407-3192ている．それを物理担当教員は重く受け止めている．

［7］藤岡淳，尾崎徹，接続型教育を目指して

物理学実験では全員が有効数字のルールを守る．有効桁

第5報 入数を明示した測定値は信頼されるからである．GPA の有学前セミナーの物理テキストの改訂，広島工業大学紀

効数字も然りである［16］．教科書の第 3 版から，全ての要

実験テーマのデータ処理と考察において，習熟度に応じた

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/9788

到達目標が設定されている［4］．電子情報工学科では班の［8］尾崎徹，鈴木貴，大政義典，北野保行，細川伸也，接編成を習熟度別にしている．この班は平均値までを有効数

続型教育を目指して 第 4 報 基礎物理科目から専門科

字に注意してまとめよう，この班は平均値だけでなく平均目への接続の調査と改善，広島工業大学紀要 教育編，

値の平均誤差も解析して考察しよう，と班ごとに指導する．

第 9 巻，27–36（2010）．

学生はそれぞれの班でこなした自信を持って専門の実験へ

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/8099

進む．そうして，社会で役立つ知力と体力を身に着ける．

［9］国際度量衡局，国際単位系（SI）基本単位の定義改定⑶

教育編，第 10 巻，11–19（2011）．

と計量標準，付録

大学ぐるみで防災・減災の研究をして成果を公表する．

国際単位系（SI）第 9 版（2019）．

上記⑴と⑵によって社会から信頼される学生を大勢送り出

https://unit.aist.go.jp/nmij/public/report/SI_9th/pdf/SI_9th_

すために，習熟度の高い学生に大勢入学してほしい．それは，%E6%97%A5%E6%9C%AC%E8%AA%9E%E7%89%88_r.pdf

本学が社会から信頼されるときに実現する．そのために，大［10］井上光，尾崎徹，鈴木貴，中西助次，細川伸也，大政

学ぐるみで地域に密着した研究をして実績を上げる．テーマ

義典，HIT 基礎物理学シリーズ 2. 工科系のための基礎力

としては，「防災・減災」 がふさわしい．1 学科 1 テーマずつ学，広島工業大学紀要 教育編，第 12 巻，29-38（2013）．

でよい．22 年前に起きた極楽寺山の土砂災害を機に本学がhttp://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/12007

取り組んできた経験とノウハウがあり，それ以後に新設された［11］ 井 上 光， 尾 崎 徹， 鈴 木 貴， 中 西 助 次， 細 川 伸 也，

学科の名称はそのまま研究のキーワードになる．⑴，⑵，⑶がHIT 基礎物理学シリーズ

好循環することを期待したい．

島工業大学紀要 教育編，第 11 巻，39–48（2012）．
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1．力学 WORKBOOK，広

尾崎

徹・鈴木

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/10696［12］山本愛士，井上

光，尾﨑

貴

された．
【注意】資料⑧から，2000 年までの必修科目「工徹，木舩弘一，小島健一，

業基礎力学」の記述が完全に脱落している．

安塚周磨，大村訓史，物理学実験の改善 〜「HIT 実験［14］尾崎徹，100 円ライター大解剖 ―新入生セミナーのノート」の作製とテキスト「工科系のための物理学実験」

ための 1 コマ体験学習―，広島工業大学紀要 教育編，の改訂〜，
広島工業大学紀要 教育編，
第 17 巻，85-90（2017）．

第 11 巻，49-59（2012）．

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/12245

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/10697［13］鶴学 園 五 十 年 史（2006），第 3 章
資料編（広島工業大学），資料⑧

広 島 工 業 大 学，

［15］戎佳宏，蛍光 X 線ホログラフィーによるランタンを

教育課程表，225

ドープしたチタン酸ストロンチウムの局所構造の研－ 234．専門基礎科目として 2000 年まで開講された工究，博士学位論文，広島工業大学（2019）．

業基礎力学は通年科目，2015 年まで開講された基礎物

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/12303

理学Ⅰ，Ⅱは半期科目である．2016 年から開講されてきた博士学位論文内容の要旨および審査結果の要旨，第基礎物理学 A，B も半期科目である．基礎物理学Ⅰ，Ⅱ14 号，広島工業大学（2019）．

と基礎物理学 A，B は実質的に同じであった．情報学

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/12302

部では，2007-2008 年に 2 年 次の必 修 科目として開 講［16］尾崎徹，井上光，GPA の適正な有効数字，広島工業

された基礎物理学Ⅰ，Ⅱは．2009 年から選択科目になり，

大学紀要 教育編，第 14 巻，23-28（2015）．

2016-2019 年は基礎物理学 A，B として 1 年次に開講

http://harp.lib.hiroshima-u.ac.jp/it-hiroshima/metadata/12070

付録 A

広島工業大学の物理教員が作製した教科書

付録 B

基礎物理 WORKBOOK の利用法

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