物理学概論

シラバス
授業概要

1

物理学の導入的知識・手法について, 講義と演習によって学習します. とくに, エネルギーの考え方にもとづいて, 身近な自然現象や科学技術に見られる物理学的背景について, 概観を得ることを目指します.
コース前半では, まず物体を粒子 (質点) で代表させて表し, その運動を調べます. 運動は運動方程式によって詳しく分析されますが, 主要な性質のみに限れば, 力学的エネルギーを用いてより簡単に調べられることを学びます. コース後半では, より現実的な物体を質点の集合として表し, それらの力学的エネルギーの合計によってさまざまな現象をエネルギーの観点でとらえます. さらに場とそのエネルギーの考え方を導入することによって, 空間を伝わるさまざまな作用も物理的実体として理解できることを学びます.
こうした概念や手法は, 物理学全般への導入としてだけでなく, 他の自然科学や応用科学の基礎としても重要です. とくに, 前半で学ぶ力学は工学系, 後半で学ぶ熱力学や電磁気学は生命科学系の学習にも活用できます. また, 本学で開講される「基礎物理学」では, ここで学ぶ物理学 (古典物理学) を前提として現代物理学を学び, 「応用物理学」ではより現実的な現象への応用について学びます. 「物理学実験」では古典物理学のいくつかのテーマについて実験を行います.
授業では 5 名程度のグループ演習や演示実験等も交え, 能動的学習 (アクティブ・ラーニング) により実践力や汎用的能力を養います. また, 授業内外の学習支援のために Moodle を使用します.

授業全体の目標

2

物理学の導入的知識・手法について学習します. とくに, エネルギーの考え方にもとづいて, 身近な自然現象や科学技術に見られる物理学的背景について, 以下のような概観を得ることを目指します.

(1) 質点の運動を定量的に解析することができる.
(2) 場の運動や現象を定量的に表現することができる.
(3) 熱力学の法則を適用してマクロな現象を説明することができる.
(4) 電気や磁気の関わる現象について電磁気学の基本法則を適用して調べることができる.
(5) ミクロな系に関する現代物理学の導入的な考え方について説明できる.

授業予定と到達目標

2.1
回

テーマ主な目標

教科書

第1回

ガイダンス

o 力学, 熱力学, 電磁気学など, 物理学の諸分野の概要を説明できる. o 物理量を科学的に表現できる.

第0章

運動の表現

o 平均速度, 平均加速度と関連する諸量を, 定義にもとづいて計算できる. o 数式やグラフによる運動の表現方法を身につける.

第1章

o 運動を微小量やベクトルを用いて表現し, 数学的にあつかうことの必要性について説明できる.

第1章(4/11)
第2回(4/18)
第3回

運動の数学的(4/25)

あつかい–1–(一部)

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回

テーマ

主な目標

教科書

第4回

力と運動

o 力の性質やつり合いを正しく表現することができる. o 運動の法則を用いて, 与えられた力のものでの運動を説明できる.

第2章

(5/2)

(–2.5)

第5回

運動方程式のo 運動方程式を用いて, 与えられた力のもとでの運動を定量的に

第2章(5/16)

適用

分析・予測できる.

(2.6–)

第6回

仕事と第3章(5/23)

エネルギー

o 仕事とエネルギーの関係を用いて, 与えられた運動の主要な性質を説明できる. o 現象にともなうエネルギーを評価できる.

第7回

周期運動

o 単振動や円運動などの周期運動に対し, 力学の手法を適用できる. o 天体の運動を定性的に説明できる.

第4章

連続体の力学o 弾性体や流体の性質を物理量で表現できる. o 弾性体や流体の基本法則を用いて, それらの運動を力学的に説明できる.

第5章

波動

o 波動の基本性質を物理量で表現できる. o 音と光に特徴的な現象を例を挙げて説明できる.

第6章

o 熱や温度を力学的な描像で説明できる. o 与えられた系に熱力学第 1・第 2 法則を適用できる.

第7章

第 11 回 電気の場

o 静電気現象を電荷の考えを用いて説明できる. o 電荷の周囲

第8章(7/4)の電位や電場の性質を説明できる.

(–8.7)

第 12 回 電流

o 電気回路の電流や電圧を定量的に調べることができる. o 電力やエネルギーの変換について定量的に説明できる.

第8章

o 磁場の基本性質を説明できる. o 発電を含む電磁気相互関係を用いた技術的応用について, 原理にもとづいて説明できる.

第9章

o 電磁波の性質や基本量について説明できる. o 光子の考えについて関連する現象の例を挙げて説明できる.

第 9–11(5/30)
中間試験 (6/6)
第8回(6/13)
第9回(6/20)
第 10 回 熱力学(6/27)(7/11)
第 13 回 磁気の場

(7/18)
第 14 回 古 典 物 理 学 か ら(7/25)

現代物理学へ

(8.8–)(–9.4)
章 (一部)

期末試験 (8/1)

2.2

各回の授業について■ノート, ハンドアウト

ハンドアウトは毎回配布する予定ですが, それとは別にノートが必要です. ノー

トには客観的な学習内容の記録と, 授業中に考えたり気づいたりした思考内容の表現を行います. なお,ノートは通常のノート (紙媒体) でも, コンピュータ上のデジタルノートでも構いませんが, ハンドアウトの空きスペースで代用することはできません (メモをとることとノートを作成することはまったく別です).
■デジタル機器

授業中も持参したノートパソコンや (スマートフォンを含む) モバイル機器を使用することができます. ただし, 授業と無関係の用途に使用することは授業への意図的な不参加とみなされます.
■テキスト, 参考書

教科書は必ず購入してください.

3 教科書: 原 康夫, 『物理学入門 (第 3 版) 』学術図書出版社.
3 参考書: 末廣 一彦 他,『レベル別に学べる物理学 I・II』丸善出版. 物理学を詳しく学習したい人向け. 一
般的な大学教養課程用の内容です.

3 参考書: ウォルター ルーウィン,『これが物理学だ! マサチューセッツ工科大学「感動」講義』文藝春秋. NHK 白
熱教室の書籍版. 一般向け.

3 参考書: 朝永 振一郎,『物理学とはなんだろうか 上・下』岩波新書. 古典物理学の成立・発展の過程を一般向けに詳–2–

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しく解説した読み物です.

3 問題集: 後藤 憲一 他,『詳解 物理学演習 上・下』共立出版. たくさんの問題が収録されています.
■授業の進み方

授業は予習内容を前提として行われ, グループワーク等による演習に重点がおかれます.

また, 授業の学習内容は復習によって定着させることが求められます. もっぱら講義を聞くことを主体とするようなスタイルで授業が行われることはありません.
■高校物理履修の有無

この授業では, 高校物理の知識・理解は前提とされません. ただし, 高校物理を (十分に) 履修していない場合には, とくに予習に十分に取り組み, 他の履修者や担当教員への質問を積極的に行う必要があります. 一方, 高校物理等の理解が十分な場合には, グループ演習等をリードすることで自らの理解をさらに深めることが期待されます.
■出席等

5回以上欠席した場合, 学則により期末試験の受験が認められません. また, 大幅な遅刻・早退は欠席としてあつかわれます. 正当な理由による欠席等の場合は事前に (やむを得ない場合は事後速やかに)担当教員に連絡することで, 欠席回数から除外されます.

2.3

準備学習 (予習・復習) について

■予習 予習では教科書の指定部分 (各回 20 ページ程度, 例・例題を含み, 問・問題は指定がない限り除く)について学習した後, 導入的な確認問題 (各回数題程度) に取り組みます. 解説動画等, 他の指定資料に取り組む場合もあります. また, 疑問箇所をリストアップし, 授業中の学習や質問等で焦点を当てられるようにしておきます.
■復習

復習では, 予習および授業での学習内容を踏まえた類題に取り組みます. 必要に応じてレポートとしてまとめる場合もあります.
■Moodle

とくに指定がない限り, 予習復習課題の実施・提出は Moodle 上で行います. 原則として復習

課題の期限は出題回の7日後, 予習課題の期限は次回授業日, いずれも午後12:30までとしますが, 各課題は期限内であれば何度でも回答できます.
■学習量以上に要する時間は, 各自の前提知識や理解状況に応じて異なりますが, 最大で授業時間の2倍程度となる可能性もあるため, 他の科目の学習時間も考慮した計画的な学修が必要です.
■オフィスアワー

授業外の質問があればメールや Moodle 上のメッセージ, オフィスアワー等を利用してください. もちろん, グループ内で互いに質問や議論をすることも推奨します.

2.4

成績評価

成績は, (臨時の加点を除いて)(i) 予習・復習課題: 各回 10 点 × 全 13 回 =130 点満点(ii) 授業中の小テスト: 各回 5 点 × 全 4 回 =20 点満点(iii) 中間・定期試験: 各回 150 点 × 全 2 回 =300 点満点の計 450 点満点を 100 点満点に換算した評点によって評価されます. これより配点割合は
準備・授業学習 : 中間試験 : 定期試験 = 1 : 1 : 1です. なお, 各到達目標の達成度は以下のルーブリックにしたがって確認することができます.

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