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先端技術のための現代物理学('18)

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主任講師
岸根 順一郎 (放送大学教授)
放送メディア
オンライン
配信期間(2018年度)
第1学期:平成30(2018)年4月5日(木)~8月31日(金)

講義概要

先端技術の最前線は常に変化し続けているが、それを支える物理学の基礎理論は不易である。この科目では、電子技術(エレクトロニクス)、光技術(フォトニクス)、磁気技術(マグネティクス)、スピントロニクスなど先端技術諸分野を学ぶ上での共通基盤となる電磁気学、量子力学、統計力学、固体量子論の基礎理論から一般性のあるテーマを選んで解説する。特に、大学院レベルの数理解析リテラシーを習得することを重視する。
※詳しくはシラバス

開設年度
2018年度
科目区分
自然環境科学プログラム
科目コード
6960022
単位数
2単位
単位認定試験
試験日・時限
 
単位認定試験
平均点
 
備考
 
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授業の到達目標

先端技術の諸分野は多岐に渡るが、これを支える物理学の基本法則は限られている。これらの物理的、数学的意味を理解して自らの力でこれを運用するための基礎力を身につけることが目標である。学部レベルの物理をある程度理解しているが、運用に慣れていない方を対象に、独学しにくい問題を重点的に扱う。

成績評価の方法

成績評価は、小テスト(30%)、中間レポート(20%)、期末レポート(50%)の評価により行う。
※オンライン上の学習で評価します。放送授業と異なり、通信指導や学習センターにおける単位認定試験は行いません。また、単位修得できなかった場合の再試験制度もありません。

履修上の留意点

学部レベルの力学、電磁気学、量子力学、統計力学を習得していること。具体的には、放送大学学部専門科目のうち「場と時間空間の物理」(1~8章(回))、「量子と統計の物理」(1~12章(回))の内容を、先端技術の視点で見直すプロセスが本科目の内容に対応する。扱う範囲は広いが理論手法は基礎的なレベルに押さえ、物理の基礎が分かっていればついていけるよう工夫したい。
※本科目の受講には、インターネットなどの受講環境が必要です。詳細は本学ホームページをご参照ください。

シラバス

テーマ 内容 担当講師名
(所属・職名)
1 マックスウェル理論の
アウトライン
展開1 場の解析
展開2 マックスウェル方程式
展開3 電荷・電流分布と静磁場:重ね合わせ積分による計算

【キーワード】
発散、回転、マックスウェル方程式、重ね合わせ
岸根 順一郎
(放送大学教授)
2 静電場の境界値問題 展開1 静電場の解析
展開2 ラプラス方程式の解1:直交座標系
展開3 ラプラス方程式の解2:極座標と円筒座標

【キーワード】
ラプラス方程式、ポアソン方程式、変数分離、球面調和関数、ベッセル関数
岸根 順一郎
(放送大学教授)
3 電磁放射 展開1 平面電磁波
展開2 遅延ポテンシャル
展開3 電磁波の放射

【キーワード】
電磁波、遅延ポテンシャル、電磁波の放射、近接場
岸根 順一郎
(放送大学教授)
4 物質と電磁場 展開1 物質中のマックスウェル方程式 
展開2 誘電体と磁性体
展開3 磁気シールド

【キーワード】
自由電荷、束縛電荷、分極、磁化、誘電体、磁性体、磁気シールド
岸根 順一郎
(放送大学教授)
5 量子力学の基礎 展開1 粒子性と波動性
展開2 シュレーディンガー方程式
展開3 ニンジンの色

【キーワード】
電子の波動性、光の粒子性、シュレーディンガー方程式、パウリ原理、光吸収
岸根 順一郎
(放送大学教授)
6 1次元ポテンシャル 展開1 1次元ポテンシャルと波動関数 
展開2 トンネル効果
展開3 調和振動子

【キーワード】
接続条件、トンネル効果、調和振動子、生成消滅演算子
岸根 順一郎
(放送大学教授)
7 量子状態の論理 展開1 状態・観測・測定 
展開2 2状態系
展開3 量子ダイナミクス

【キーワード】
量子力学の要請、2状態系、量子ダイナミクス、ハイゼンベルク方程式
岸根 順一郎
(放送大学教授)
8 2状態系のダイナミクス 展開1 2状態系のダイナミクス 
展開2 スピン
展開3 調和摂動と共鳴

【キーワード】
量子遷移、スピン、シュテルン・ゲルラッハ実験、調和摂動、磁気共鳴
岸根 順一郎
(放送大学教授)
9 統計力学の基礎 展開1 熱力学 
展開2 確率とエントロピー
展開3 カノニカル分布

【キーワード】
熱力学の法則、状態数、エントロピー、ミクロカノニカル分布、カノニカル分布
岸根 順一郎
(放送大学教授)
10 多粒子系の量子状態 展開1 ボース粒子とフェルミ粒子 
展開2 置換対称性と摂動効果
展開3 場の量子化入門

【キーワード】
ボース粒子、フェルミ粒子、置換対称性、交換相互作用、場の量子化
岸根 順一郎
(放送大学教授)
11 量子統計 展開1 ボース分布とフェルミ分布 
展開2 量子系のエントロピー
展開3 状態密度

【キーワード】
ボース分布、フェルミ分布、純粋状態、混合状態、量子もつれ、状態密度
岸根 順一郎
(放送大学教授)
12 フェルミ面と応答 展開1 自由電子ガス 
展開2 マクロ系の動的応答:線形応答と久保公式
展開3 フェルミ球の線形応答

【キーワード】
フェルミ面、フェルミエネルギー、線形応答、久保公式、揺動散逸定理、誘電応答、磁気応答
岸根 順一郎
(放送大学教授)
13 バンドテクノロジー 展開1 エネルギーバンドの起源 
展開2 強結合バンド
展開3 バンドの多様性

【キーワード】
エネルギーバンド、強結合近似、位相因子、グラフェン
岸根 順一郎
(放送大学教授)
14 光とコヒーレンス 展開1 電磁場の量子化 
展開2  コヒーレント状態
展開3 フォトニクスと量子技術

【キーワード】
フォトン、コヒーレント状態、フォトニクス
岸根 順一郎
(放送大学教授)
15 量子革命 展開1 古典物理と先端技術
展開2 第1次量子革命
展開3 第2次量子革命

【キーワード】
古典デバイス、量子デバイス
岸根 順一郎
(放送大学教授)
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