応用物理Ⅰ

Course Information

College Toyama College Year 2017
Course Title 応用物理Ⅰ
Course Code 0150 Course Category Specialized / Elective
Class Format Lecture Credits School Credit: 2
Department Department of Mechanical Engineering Student Grade 3rd
Term Year-round Classes per Week 2
Textbook and/or Teaching Materials 高専の応用物理第2版(森北出版株式会社:小暮陽三監修:ISBN978-4-627-15102-4)
Instructor Toshima Takeshi

Course Objectives

下記に挙げる物理現象を数式を用いて表現するだけでなく、それらが数学的に連動し、解析可能な事象であることを理解することを目標とする。
・力学(運動方程式、仕事と力、剛体、運動量保存則、角運動量、慣性モーメント)
・流体力学(剛体と弾性体の差異、完全流体、連続の方程式、ベルヌーイの定理)
・波動(干渉、反射、屈折、回折)
・光学(粒子性と波動性)
・電磁気学(クーロン力、電界、電位、ガウスの法則、静電容量、絶縁体、電気的エネルギー)
具体的には下記ルーブリックの各項目が到達目標になる。

Rubric

理想的な到達レベルの目安標準的な到達レベルの目安未到達レベルの目安
力学についてⅠ運動の3法則を理解し、問題文中から該当する式を導出し、計算ができる運動の3法則を説明でき、順序立った問題に課せられた式を導出し、計算ができる運動の3法則に基づく式の導出ができない
力学についてⅡ仕事と力の関係を理解し、微積分を活用して双方の導出ができる仕事と力が対応することを理解し、順序立った問題に課せられた式を導出し、計算ができる仕事と力の関係を理解せず、式の導出ができない
質点系の力学についてⅠ剛体の形状を微小部に分割して重心の導出ができる剛体の形状を分割した微小部に対し、重心を導出する式に適用ができる重心の導出ができない
質点系の力学についてⅡ運動量の導出と保存則を理解し、多次元空間において物体の衝突前後の挙動を正しく記述できる運動量の導出と保存則を理解し、1次元軸上での物体の衝突挙動を正しく記述できる運動量が説明できない
質点系の力学についてⅢ運動量と角運動量、並進運動と回転運動における力学的エネルギーの対応関係が説明できる角運動量や回転運動における運動エネルギーの導出ができる並進運動と回転運動の違いが説明できない
剛体の力学についてⅠ剛体を正しく理解し、質点等の集合体に分割・結合が使いこなせる剛体の力学的性質が微小部の集合として式に表し、計算ができる質点と剛体の区別がつかない
剛体の力学についてⅡ典型的な剛体の慣性モーメントを導出し、回転の運動方程式の計算と挙動を正しく記述ができる簡便な剛体の慣性モーメントを導出し、回転の運動方程式導出や計算ができる簡便な剛体の慣性モーメントの導出ができない
変形する物体についてⅠ剛体と弾性体の差異を理解し、材料の力学的挙動について説明ができる剛体と弾性体の差異を説明できる剛体と弾性体の差異を説明できない
変形する物体についてⅡ完全流体における連続の方程式やベルヌーイの定理を用いて流体の運動が導出できる完全流体における連続の方程式やベルヌーイの定理を記述し、簡便なケースにおける導出ができる連続の式やベルヌーイの定理が説明できない
波について波の諸性質(干渉や反射、屈折、回折)について理解し、式や条件の計算や説明ができる波の諸性質(干渉や反射、屈折、回折)について理解し、式の導出と計算ができる波の諸性質(干渉や反射、屈折、回折)について説明ができない
光学について光の粒子性と波動性を正しく理解し、波の諸性質の式が摘要できる光の波動性を理解し、波の諸性質の式の導出と計算ができる光の波動性が説明できない
静的な電磁気についてⅠ点電荷や仮想的な点磁荷に対するクーロンの法則や電磁場とクーロン力、位置エネルギーの導出ができる点電荷や仮想的な点磁荷に対するクーロンの法則や電磁場とクーロン力、位置エネルギーの計算ができるクーロンの法則や力場、位置エネルギーの対応関係が説明できない
静的な電磁気についてⅡガウスの法則を理解し、電界や電位の導出ができるガウスの法則を理解し、簡便な電荷配置における電界や電位の計算ができるガウスの法則が説明できない
静的な電磁気についてⅢ電荷と電位、静電容量の関係を理解し、式の導出ができる電荷と電位、静電容量の関係を理解し、式の計算ができる電荷と電位、静電容量の関係が説明できない
静的な電磁気についてⅣ導体と絶縁体の特徴を列挙し、図もしくは式を用いて説明ができる導体と絶縁体の特徴を列挙できる導体と絶縁体の差異が説明できない

Assigned Department Objectives

Teaching Method

Outline:
力学、流体力学、波動、電磁気学における物理現象(ニュートンの運動法則・質点の運動・エネルギー保存則・剛体の運動・弾性体と完全流体・光の波動性と粒子性・静的な電磁気)を数式を用いて表現するだけでなく、それらが数学的に連動し、解析可能な事象であることを理解し、説明ができることを目標と定める。
Style:
講義内容を振り返る演習や課題を通じて学生の理解度を適宜確認する。
Notice:
応用物理は物理学で学んできた知識を数学(特に微分・積分)の見地から見直し,基本的な概念を理解することが大切である.このことは,単に式を覚えるのではなく,演習問題を自分で考え,解いてみることが必要であり,関連図書や関連する参考書などを活用して自学習にも望んで欲しい.「応用」物理とあるように,この講義は物理学を基本とする科目であることから1~2年時に学んだ物理を再度勉強するつもりで臨むこと.本教科の内容に疑問が生じた時点で積極的に質問をすることが望ましい.なお,授業計画は学生の理解度に応じて変更する場合がある。

Course Plan

Theme Goals
1st Semester
1st Quarter
1st ガイダンス
位置と速度、加速度の関係の復習
物理学で学んできた力学の基本式を復習する
2nd 力学の基本Ⅰ
ニュートンの運動法則について学ぶ
運動の第一~第三法則の説明ができる
3rd 力学の基本Ⅱ
重力と万有引力、慣性の法則について
万有引力の式から重力加速度の導出ができる。また慣性系について説明ができる
4th 力学の基本Ⅲ
仕事と運動エネルギー、位置エネルギーについて
保存力を理解し、位置エネルギーと力の関係を説明できる
5th 質点系の力学Ⅰ
重心の導出、運動量について
重心の導出ができる。運動量保存則を用いて物体の衝突前後の運動量が導出できる
6th 質点系の力学Ⅱ
力のモーメントと角運動量について
回転運動における運動方程式が記述できる
7th 前期中間試験
教科書の1~2章についての理解度・到達度を確認する
8th 答案返却・解説
2nd Quarter
9th 剛体の力学Ⅰ
剛体の回転軸周りの運動方程式について
剛体の定義が説明でき、微小部の回転運動方程式が記述できる
10th 剛体の力学Ⅱ
力のモーメントと慣性モーメントについて
回転運動の方程式から角速度の導出ができる
11th 剛体の力学Ⅲ
典型的な剛体における慣性モーメントの導出と回転運動における運動方程式の解法について
種々の形状をした剛体の慣性モーメントの導出ができる
12th 変形する物体Ⅰ
弾性体と完全流体について
剛体と弾性体の違いについて説明ができる
完全流体について説明ができる
13th 変形する物体Ⅱ
連続の方程式について
連続の方程式が記述でき、異なる地点における流速の計算ができる
14th 変形する物体Ⅲ
ベルヌーイの定理について
ベルヌーイの定理が記述でき、異なる地点における力学的エネルギーの導出ができる
15th 前期末試験
教科書の3~4章についての理解度・到達度を確認する
16th 答案返却・解説
2nd Semester
3rd Quarter
1st 波の性質Ⅰ
波の伝搬と重ね合わせ、干渉について
縦波と横波の違いを説明できる
波の伝搬と干渉について説明できる
2nd 波の性質Ⅱ
波の反射、屈折、回折について
波の反射や屈折、回折現象について説明ができる
3rd 波の性質Ⅲ
音波と定在波、ドップラー効果について
定在波について説明ができる
ドップラー効果について説明ができる
4th 光学Ⅰ
光の伝搬について
光の波長と振動数、光速の関係式が記述できる
反射や屈折の式が記述・計算できる
5th 光学Ⅱ
光の干渉について
光の干渉効果が説明できる
6th 光学Ⅲ
光の回折について
光の回折現象が説明できる
7th 後期中間試験
教科書の5章および波の諸性質についての理解度・到達度を確認する
8th 答案返却・解説
4th Quarter
9th 静的な電磁気Ⅰ
点電荷とクーロン力について
点電荷間に働くクーロン力の計算ができる
10th 静的な電磁気Ⅱ
電界とガウスの法則について
点電荷が作る電界が計算できる
ガウスの法則を用いて典型的な電界の導出ができる
11th 静的な電磁気Ⅲ
電位と電気的な位置エネルギーについて
クーロン力と位置エネルギーの関係を理解し、電位が導出できる
12th 静的な電磁気Ⅳ
静電容量とコンデンサーについて
電気容量の定義を理解し、コンデンサーに蓄えられる電荷やエネルギーの計算ができる
13th 静的な電磁気Ⅴ
導体と誘電体の差異について
導体と誘電体の違いが説明できる
14th 静的な電磁気Ⅵ
静的な磁界におけるクーロンの法則や磁気的エネルギーについて
仮想磁荷を導入することで電荷と同様にクーロンの法則が成立することを説明できる
15th 学年末試験
教科書の7章についての理解度・到達度を確認する
16th 試験返却、解説、授業アンケート

Evaluation Method and Weight (%)

定期試験レポート、課題Total
Subtotal8020100
基礎的能力602080
専門的能力20020
分野横断的能力000