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初歩からの物理('16)

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主任講師
岸根 順一郎 (放送大学教授)
米谷 民明 (東京大学名誉教授)
放送メディア
テレビ
放送時間(平成29年度)
第1学期:(金曜)10時30分~11時15分
第2学期:(火曜)16時45分~17時30分

講義概要

本科目は「自然と環境コース」が提供する物理系4科目(下記「関連する科目名」参照)への導入としての役割を果たす。対象として自然科学に関心を持つすべての学生を念頭に置き、「物理法則に基づいて自然現象を記述する」見方、考え方を伝える。第1回で物理的自然観を概観し、第2~4回で物理学の基盤である力学の論理と方法、第5~7回で環境問題を含む熱学的自然観、第8~9回では波動現象と場の考え方を扱う。第10〜13回は、電気と磁気、電磁波そして相対性理論の初歩を扱う。さらに第14、15回で物質の原子・分子からの成り立ちや、さらにミクロな世界を理解するのに必要な量子の世界の法則を垣間見る。
※詳しくはシラバス

開設年度
平成28年度
科目区分
コース科目(自然と環境コース(導入科目))
〔2009年度~2015年度〕共通科目(一般科目)
〔2008年度以前〕共通科目(一般科目)
科目コード
1760025
単位数
2単位
単位認定試験
試験日・時限
平成29年度 第1学期:平成29年7月26日(水曜)4時限(13時15分~14時05分)
平成29年度 第2学期:平成30年1月25日(木曜)5時限(14時25分~15時15分)
単位認定試験
平均点
(平成28年度 第1学期)68.3点
(平成28年度 第2学期)63.7点
備考
「初歩からの物理学('08)」「初歩からの物理学('12)」の単位修得者は履修不可
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授業の目標

物理法則に基づいて自然現象を把握するための発想法と方法論に親しむ。それによってより進んだ学習への動機を高める。また、原子力や環境問題など人類と自然の共生に関わる問題を物理学の視点で理解する力を身に着ける。

履修上の留意点

物理の学習に一歩を踏み出そうとするすべての方を念頭において、物理の見方・考え方を解説する。物理の学習にある程度の数学の使用は避けられないが、本科目では高校程度以上の数学の使用は避ける。本科目と「物理の世界」をともに受講することで物理という学問の全体像をつかむことができるようになっている。これらの科目を学んだ後、さらに本格的に物理学の学習を深めたい方には、「力と運動の物理」「場と時間空間の物理」「量子と統計の物理」という3つの専門科目が用意されている。

シラバス

テーマ 内容 執筆担当講師名
(所属・職名)
放送担当講師名
(所属・職名)
1 自然現象を物理的にとらえよう 自然現象を物理的に把握する方法を述べる。物理学における実験と一般化の役割、自然法則に基づく現象の統一的記述といった物理学の特徴を強調する。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
2 力は運動を引き起こす 物理学の対象として最も古くから探究されてきたのが「物体の運動」である。そして、ニュートンによって力と運動の関係が確立されたことが現代につながる物理学の基盤となった。この回では、運動とは何かという問題から始めてニュートンの力学法則を紹介する。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
3 運動方程式を読み解く 運動方程式 ma=f は大変シンプルな格好をしているが、その内容を探り使いこなすことで実に多様な力学現象が記述できる。この回では、加速度、力、質量それぞれの内容を探り、運動方程式の意味を明らかにする。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
4 運動方程式からの展開 運動方程式には物理的な運動についてのすべての情報が込められている。これを解析することで運動の変化を追跡することができる。それだけでなく、運動方程式には時間がたっても不変に保たれる「保存量」が潜んでいる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
5 エネルギーの捉え方 エネルギーという言葉は身近な分だけ誤解や混乱も招きやすい。まずは力学的エネルギーについて述べ、さらに物理学全体におけるエネルギー概念の意義を述べる。散逸や不可逆性といったキーワードにも触れる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
6 温度と熱 エネルギーと並んで身近な言葉である熱。その内容を正しく理解することで、膨大な数の粒子からなるマクロな体系の論理が明らかになる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
7 エントロピーとは何か 熱力学サイクルの効率の問題を通して、エントロピーの概念に誘う。エントロピーが乱雑さ・不可逆性と直結していることを述べる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
8 振動と波動 振動する源が波動を生み出す仕組みを述べる。弦の振動、音といった力学的波動の捉え方を通して位相の概念を説明する。源が発信源となって波が生まれる仕組みを通して、粒子と場の概念へ誘う。線形と非線形の概念にも触れる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
9 波としての光 光と物質の関係は物理学の主題のひとつである。ここでは光を巡る研究の歴史を踏まえ、電磁場理論の完成直前までの光学理論を紹介する。これによって第10回以降の電磁場の物理へつなげる。 岸根 順一郎
(放送大学教授)
岸根 順一郎
(放送大学教授)
10 電気って何だろう 電気は私たちの日常生活に欠かせない。静電気の実験から、電気の本性とは何なのか探求を始める。電気は便利に利用できるというだけではなく、電気こそ私たちの体を含む宇宙のすべての物質をつくる力である。その理解のために重要な電場の考え方を解説する。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
11 電気と磁気の切っても切れない関係 電気と磁気は密接に関係している。磁石の性質から出発して磁場の性質を学ぶ。そして、電流によって磁場が生じること、磁場の変化が電場を生み、電場の変化が磁場を生み出す電磁場の法則の初歩を学ぶ。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
12 電気磁気は電子の世界を読み解く鍵 電気と磁気の起源の探求を始める。原子を構成している電子と原子核が電気と磁気の起源であることを学び、そこから電気磁気の様々な現象、特に電磁波が説明できることを学ぶ。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
13 電磁波とアインシュタイン 電磁波が真空中で伝わる速度は常に一定の普遍定数である。このことは私たちが経験で培って来た素朴な時間と空間の考え方が正しくないことを示している。アインシュタインがこの問題にどう取り組み、新しい時間と空間の概念を提唱したか考え方を学ぶ。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
14 量子の世界とはどんなものか 原子や分子の成り立ちを説明するには、これまで学んできたニュートンの力学やファラデー・マックスウェルの電磁場の考え方では不十分である。量子の考え方によって初めてこの世界が説明できるようになる。その初歩を学ぶ。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
15 私たちはどこまで宇宙を理解できるか 第13回、14回で学んだ新しい時間空間の考え方、および量子の考え方によって現代の物質理解はどこまで進んでいるのか、そしてどのような謎が残っているのか、本科目の最後のテーマとして現代物理学の世界を垣間みる。 米谷 民明
(東京大学名誉教授)
米谷 民明
(東京大学名誉教授)
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