統計物理学

科目基礎情報

学校 長野工業高等専門学校 開講年度 平成31年度 (2019年度)
授業科目 統計物理学
科目番号 0036 科目区分 専門 / 選択
授業形態 授業 単位の種別と単位数 学修単位: 2
開設学科 生産環境システム専攻 対象学年 専2
開設期 前期 週時間数 2
教科書/教材 教科書:和達三樹,十河 清,出口哲生「ゼロからの熱力学と統計力学」岩波書店、 参考書:北原和夫, 杉山忠男「統計力学」講談社、砂川重信 「物理の考え方3: 熱・統計力学の考え方」岩波書店,和田純夫 「物理講義のききどころ 4: 熱・統計力学のききどころ」岩波書店,ファインマン 「ファインマン物理学I,II, IV」岩波書店,D.ハリディ,レスニック,ウォーカー「物理学の基礎」[2] 培風館J.オグボーン,M.ホワイトハウス「アドバンシング物理A2」 シュプリンガー・フェアラーク東京  
担当教員 大西 浩次

到達目標

温度と熱の違いが説明できること.熱力学第1法則,第2法則が説明できエントロピーの概念が説明できること.統計力学の基本的取り扱いができる事,更に理想量子気体の振る舞いが説明できること.これらの内容を満足する事で,学習・教育目標の(C-1)の達成とする.

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
評価項目1熱量と温度の違いを統計力学から説明できる.熱量と温度の違いを分子運動論から説明できる.熱量と温度の違いが説明できない.
評価項目2気体の性質を統計力学から説明できる.気体の性質を説明できる.気体の性質が説明できない.
評価項目3量子力学系の物性を統計力学で説明できる.調和振動子系などの物性を統計力学で説明できる.量子力学系の物性を説明できない.

学科の到達目標項目との関係

教育方法等

概要:
物性の理解のために,統計力学の基礎的な考え方を学ぶ.はじめに,熱力学の基礎,量子論の基礎的な概念を確認した後,熱,温度,エントロピーの概念を学ぶ.これらを統計力学的に再構成し,量子統計力学の基礎を学ぶ.
授業の進め方と授業内容・方法:
・授業方法は講義を中心とし,演習問題や課題をだす.
・毎回,レポート課題を課すので,期限に遅れず提出すること.

なお,この科目は学修単位科目であり,授業時間30時間に加えて,自学自習時間60時間が必要である.事前・事後学習として課題等を与える.
注意点:
<成績評価>試験(50%),レポート課題・演習(50%)とし合計100点満点で目標(C-1)の達成度を評価する.評価結果60点以上を合格とする.
<オフィスアワー>毎週水曜日16:00~17:00,機械工学科棟3F 314物理教員室.この時間にとらわれず必要に応じて来室可.
<先修科目・後修科目>先修科目は応用物理I,応用物理II,および物性物理学となる.
<備考>応用物理I,応用物理II,および物性物理学の内容を理解していること共に,数学(偏微分,全微分,変分法,統計学)が自由に使えることが必要である.毎回の講義内容を整理・復習し,自分なりに理解する事が大切である.

授業計画

授業内容・方法 週ごとの到達目標
前期
1週 温度と熱 熱量と温度の違いを説明できる.
2週 分子運動論 分子運動論から熱と温度の違いとその意味を説明できる.
3週 熱力学第1法則 エネルギー保存則としての熱力学第1法則を説明できる.
4週 定積比熱と定圧比熱 理想気体の比熱を理解する.理想気体と実在気体の比熱の違いの原因を指摘することができる.
5週 熱機関 カルノーサイクルの熱効率を求めながら、熱効率の物理的な意味を説明できる.
6週 熱力学第2法則と熱力学的エントロピー 熱力学におけるエントロピーの導出を理解する。エントロピーの熱力学的意味を熱力学第2法則として説明できる.
7週 統計的扱いとランダムウオーク 統計の取り扱いが出来るようになる.
8週 マクスウェルの速度分布 速度分布関数,ボルツマン因子を理解する.
9週 統計力学の基本的考え方 エントロピーの統計力学的意味を理解する.
10週 カノニカル分布 カノニカル分布の考え方が説明でき、エネルギー等分配則を確かめることができる。
11週 統計力学と熱力学の関係 理想気体を例に統計力学と熱力学の関係を説明できる.
12週 調和振動子と熱輻射のスペクトル 調和振動子の統計力学的な性質が説明できる.熱輻射のスペクトルを説明できる.
13週 2準位系,スピン常磁性 2準位系などの統計力学的な性質が説明できる.
14週 量子気体、 ボーズ分布,フェルミ分布が説明できる.
15週 磁気相転移 磁気相転移をイジングモデルで説明できる.
16週 前期末達成度試験 統計力学の基本的取り扱いができるか確認する.

評価割合

試験小テスト平常点レポート合計
総合評価割合5010040100
基礎的能力5010040100