統計物理学特論

科目基礎情報

学校	仙台高等専門学校	開講年度	令和06年度 (2024年度)
授業科目	統計物理学特論
科目番号	0013	科目区分	専門 / 選択
授業形態	演習	単位の種別と単位数	履修単位: 4
開設学科	応用科学コース（名取キャンパス）	対象学年	4
開設期	通年	週時間数	4
教科書/教材	例題から展開する　熱・統計力学　香取眞理・森山 修　サイエンス社 Excelで学ぶ熱力学と統計力学　山本 将史　オーム社
担当教員	小野 慎司

到達目標

応用理学の先端分野の概要を理解するために，必要な関連知識を習得するための基礎知識や手法を身につける。セミナー形式の授業を通して，ディスカッション能力やプレゼンテーション能力を身につける。

ルーブリック

	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
プレゼンテーション	簡潔で分かりやすい資料を作成でき，論理的で説得力のあるプレゼンテーションをおこなえる。適切な質疑応答ができる。	簡潔で分かりやすい資料を作成でき，論理的で説得力のあるプレゼンテーションをおこなえる。	論理的で説得力のあるプレゼンテーションができない。
報告書	論理的で分かりやすくまとめられた報告書を作成できる。	論理的にまとめられた報告書を作成できる。	論理的にまとめられた報告書を作成できない。

教育方法等

概要:

応用理学の各分野の基本となるテキストを，担当教員の指導のもとで通読する。物理学における基礎的な手法の習得や確認からはじめ，基礎理論や最先端の概要を理解することを目指す。熱力学の学習から始め，統計物理学との関わりの概要を学ぶ。

授業の進め方・方法:

教科書を選定し，１年を通してExcelで実習をしながら授業を進める。また，レポート形式でまとめ，適宜発表，報告をする。また，問題演習についても適宜発表，報告をする。事前学習として理解不足な点は復習しておくこと。また，学習内容の理解を深めるためには，事後学習として復習を行うことも大切である。

注意点:

ディスカッションや意見交換，学習における自主性が求められる。
基礎理論や最先端の概要を理解するために，必要な関連知識を習得するための基礎的な実習や問題演習を，段階的に必要に応じて行う。
ノートパソコンの持参が好ましい。

授業の属性・履修上の区分

アクティブラーニング

選択必修Ｂ

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
前期
	1stQ
		1週	ガイダンス	前期における授業の進め方と取り組み方を確認する。
		2週	温度、熱と熱容量、平衡状態と状退量	温度と熱、状態量について確認する。
		3週	内部エネルギー(Excel)と熱力学第1法則	内部エネルギーと熱力学第1法則について確認する。
		4週	状態の準静的変化(Excel)、断熱準静的変化と等温準静的変化	状態の準静的変化について確認する。
		5週	定積熱容量と定圧熱容量、無限小量と全微分	定積熱容量と定圧熱容量について確認する。
		6週	理想気体、状態方程式と理想気体温度、ボイルーシャルルの法則(Excel)、ファン・デル・ワールスの状態方程式(Excel)	理想気体、状態方程式と理想気体温度、ボイルーシャルルの法則、ファン・デル・ワールスの状態方程式について確認する。
		7週	理想気体の熱容量、理想気体がする仕事(Excel)、カルノーサイクル(Excel)、カルノー冷却機	理想気体の熱容量、理想気体がする仕事、カルノーサイクル、カルノー冷却機について確認する。
		8週	カルノーサイクル(Excel)、カルノー冷却機	カルノーサイクル、カルノー冷却機について確認する。
	2ndQ
		9週	可逆性と不可逆性、熱力学第2法則、カルノー熱機関の効率、絶対温度の熱力学的定義	可逆性と不可逆性、熱力学第2法則、カルノー熱機関の効率、絶対温度の熱力学的定義について確認する。
		10週	吸熱量と温度の比、エントロピー	エントロピーについて確認する。
		11週	最大仕事の法則、ヘルムホルツの自由エネルギー、化学ポテンシャル	最大仕事の法則、ヘルムホルツの自由エネルギー、化学ポテンシャルについて確認する。
		12週	ギブスの自由エネルギー、エンタルピー、熱力学関数の自然な変数	ギブスの自由エネルギー、エンタルピー、熱力学関数の自然な変数について確認する。
		13週	エントロピー増大の法則、平衡への緩和と平衡の条件	エントロピー増大の法則、平衡への緩和と平衡の条件について確認する。
		14週	水の相転移	水の相転移について確認する。
		15週	統計力学の導入、コイン系の確率と統計(Excel)	統計力学の導入、コイン系の確率と統計コイン系の確率と統計について確認する。
		16週	コイン系の確率と統計(Excel)	コイン系の確率と統計コイン系の確率と統計について確認する。
後期
	3rdQ
		1週	ガイダンス	後期における授業の進め方と取り組み方を確認する。
		2週	エネルギーと状態数、ミクロカノニカル分布(Excel)	エネルギーと状態数、ミクロカノニカル分布について確認する。
		3週	ミクロカノニカル分布(Excel)	ミクロカノニカル分布について確認する。
		4週	ミクロカノニカル分布(Excel)	ミクロカノニカル分布について確認する。
		5週	カノニカル分布(Excel)	カノニカル分布について確認する。
		6週	カノニカル分布(Excel)	カノニカル分布について確認する。
		7週	統計力学の展開、エネルギーの揺らぎ、マクスウェル速度分布とエネルギー等分配則	統計力学の展開、エネルギーの揺らぎ、マクスウェル速度分布とエネルギー等分配則について確認する。
		8週	2原子分子理想気体、グランドカノニカル分布	2原子分子理想気体、グランドカノニカル分布について確認する。
	4thQ
		9週	グランドカノニカル分布	グランドカノニカル分布について確認する。
		10週	グランドカノニカル分布	グランドカノニカル分布について確認する。
		11週	量子統計、フェルミ統計とボーズ統計(Excel)	量子統計、フェルミ統計とボーズ統計について確認する。
		12週	フェルミ統計とボーズ統計(Excel)	フェルミ統計とボーズ統計について確認する。
		13週	縮退した理想フェルミ気体	縮退した理想フェルミ気体について確認する。
		14週	縮退した理想フェルミ気体	縮退した理想フェルミ気体について確認する。
		15週	ボース-アインシュタイン凝縮	ボース-アインシュタイン凝縮について確認する。
		16週	まとめ	まとめ

評価割合

	プレゼンテーション	報告書	合計
総合評価割合	50	50	100
基礎的能力	20	20	40
専門的能力	30	30	60