キルヒホッフの法則やテブナンの定理を用いて直流回路を解析できる。電流の作る磁場を基本的な場合について計算できる。電磁誘導の法則を理解し基本的な場合に適用できる。変圧器や発電機、直流電動機の原理を説明できる。交流発電機の原理を説明でき、基本的な交流回路の動作を解析できる。代表的な計測方法と機器の動作原理を説明できる。測定で得た数値の適正な取り扱いができる。非正弦波交流の振る舞いを表現することが出来る。代表的な過渡現象について解析し説明できる。
概要:
1,2年までの物理で学んだ電気・磁気などの知識と、高学年で学ぶ電気・電子工学や情報工学、自動制御などの進んだ知識との間の橋渡しをする事がこの科目の目的である。
授業の進め方・方法:
見てわかるようなサンプル回路などを適宜使用する。内容の復習として、参考書(電気基礎(上)トレーニングノート(コロナ社))の演習を行う。
注意点:
低学年の物理で学んだ電気と磁気の知識をさらに深め、「知能機械」を設計する基礎となる多くの専門科目の学習にスムーズに入っていけるようにする.
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
前期 |
1stQ |
1週 |
オリエンテーション、直流回路:知能機械と電子制御、電流・電圧、オームの法則 |
電荷、オームの法則などの再確認を行う。
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2週 |
直流回路:キルヒホッフの法則 |
電圧と電流についての、基本的な法則を必要な時に、使える。
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3週 |
直流回路:ホイートストンブリッジ回路 |
ブリッジ回路を構成する抵抗の関係式を理解する。
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4週 |
直流回路:重ね合わせの原理、テブナンの定理 |
簡単な回路について、キルヒホッフによる連立方程式、重ね合わせによる解法、テプナンの原理を使った解法が、同じ結果を導くことを確認する。
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5週 |
直流回路:抵抗、抵抗率、抵抗の温度係数、ジュールの法則 |
導体の温度影響を理解する。発熱と電力などの関係を理解する。
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6週 |
直流回路:電池(1次、2次)、磁気と磁界 |
1次電池と2次電池の違いと代表的な電池を確認する。砂鉄で見られる議力線について現象を確認する。
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7週 |
電磁気学:磁気に関するクーロンの法則 |
磁荷の大きさと距離、働く力の方向についてのクーロンの法則を、2つの質量に働く引力になぞらえて理解する。
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8週 |
電磁気学:透磁率、磁性体、前期前半のまとめ |
磁界の大きさと磁束密度の関係を、透磁率を含めることで、関係式が導かれることを理解する。
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2ndQ |
9週 |
電磁気学:磁気回路、磁化 |
磁気回路が電気回路と同等に導かれ、磁気遮蔽現象を知る。 永久磁石の製法について磁化とヒステリシスを理解する。
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10週 |
電磁気学:電磁誘導(レンツの法則、ファラデーの法則) |
レンツの法則、ファラデーの右手、左手の法則を理解する。
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11週 |
電磁気学:自己誘導・自己インダクタンス、相互インダクタンス |
インダクタンスと変圧器の関係を理解する。
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12週 |
電磁気学:静電気、静電気に関するクーロンの法則 |
電荷を考えた場合クーロンの法則は同じ形の式で引力、斥力が導かれることを理解する。ただし、磁荷違った性質があることも理解する。
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13週 |
電磁気学:電場、静電容量とコンデンサ |
平等磁界と電場、コンデンサの容量について理解する。
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14週 |
電磁気学:コンデンサとコイル、正弦波交流、:直流電動機 |
コンデンサとコイルが、交流の中では抵抗と似た性質を示すことを知る。正弦波交流の周波数、周期などの基本性質を理解する。直流電動機のトルクと電流の関係を確認する。
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15週 |
試験返却、前期のまとめ |
試験結果を含めて、前半の重要な点を再解説
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16週 |
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後期 |
3rdQ |
1週 |
交流回路:正弦波交流の性質 |
最大値、実効値、平均値などの関係性を理解する。
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2週 |
交流回路:正弦波交流発電、ベクトル表示
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正弦波を示す式の位相差と、ベクトル表示の意味を理解する。
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3週 |
交流回路:Rだけ、Cだけ、Lだけの回路 |
コイル、コンデンサによる電圧と電流の位相差の理解。
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4週 |
交流回路:R-C-L直列回路 |
コイルとコンデンサ、抵抗が直列になっているときの電流と電圧の関係式の理解。
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5週 |
交流回路:R-L-C並列回路 |
コイルとコンデンサ、抵抗が並列になっているときの電流と電圧の関係式の理解
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6週 |
交流回路:共振回路 |
共振回路の関係式と、その利用方法の理解。
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7週 |
交流回路:交流の電圧と電流の位相差、電力 |
消費電力、無効電力、皮相電力と力率について理解する。
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8週 |
交流回路:交流の電力の種類、後期前半のまとめ |
単相交流について、総復習。交流でも、電流と電圧、抵抗でオームの法則は成り立つことを再確認。
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4thQ |
9週 |
交流回路:三相交流、進相コンデンサ |
三相交流の発電の仕組みと、。進相コンデンサの役割の理解。
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10週 |
交流回路:三相交流Δ結線、Y結線 |
三相交流のデルタ結線とY結線の線間電圧、線電流、相電圧、相電流の関係式の理解。
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11週 |
交流回路:三相交流ΔY変換 |
Δ結線、Y結線のそれぞれの利点と、変換式を知る。
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12週 |
電気計測:ブリッジ回路(C、L)、分流器、倍率器: |
交流における、抵抗、コンデンサ、コイルがあるときの平衡式への理解。
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13週 |
電気計測:測定器(オシロスコープ他)、誤差と精度 |
オシロスコープの画面の読み方、テスターなどの使い方、それらの精度を知る。データの分析、誤差解析、有効桁数の評価、整理の仕方、考察の論理性を学ぶ。
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14週 |
電気技術の基礎 |
1年間の復習として電動機、変圧器、発送配電について改めて学ぶ。
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15週 |
試験返却、後期のまとめ |
試験結果を含めて、後半の重要な点を再解説
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16週 |
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分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
基礎的能力 | 自然科学 | 物理 | 力学 | 物体の変位、速度、加速度を微分・積分を用いて相互に計算することができる。 | 3 | |
簡単な運動について微分方程式の形で運動方程式を立て、初期値問題として解くことができる。 | 3 | |
力のモーメントを求めることができる。 | 3 | |
角運動量を求めることができる。 | 3 | |
角運動量保存則について具体的な例を挙げて説明できる。 | 3 | |
一様な棒などの簡単な形状に対する慣性モーメントを求めることができる。 | 3 | |
剛体の回転運動について、回転の運動方程式を立てて解くことができる。 | 3 | |
熱 | 原子や分子の熱運動と絶対温度との関連について説明できる。 | 3 | |
時間の推移とともに、熱の移動によって熱平衡状態に達することを説明できる。 | 3 | |
熱量の保存則を表す式を立て、熱容量や比熱を求めることができる。 | 3 | |
物体の熱容量と比熱を用いた計算ができる。 | 3 | |
動摩擦力がする仕事は、一般に熱となることを説明できる。 | 3 | |
ボイル・シャルルの法則や理想気体の状態方程式を用いて、気体の圧力、温度、体積に関する計算ができる。 | 3 | |
気体の内部エネルギーについて説明できる。 | 3 | |
熱力学第一法則と定積変化・定圧変化・等温変化・断熱変化について説明できる。 | 3 | |
エネルギーには多くの形態があり互いに変換できることを具体例を挙げて説明できる。 | 3 | |
不可逆変化について理解し、具体例を挙げることができる。 | 3 | |
熱機関の熱効率に関する計算ができる。 | 3 | |
専門的能力 | 分野別の専門工学 | 機械系分野 | 力学 | 速度の意味を理解し、等速直線運動における時間と変位の関係を説明できる。 | 4 | |
加速度の意味を理解し、等加速度運動における時間と速度・変位の関係を説明できる。 | 4 | |
運動の第一法則(慣性の法則)を説明できる。 | 4 | |
運動の第二法則を説明でき、力、質量および加速度の関係を運動方程式で表すことができる。 | 4 | |
運動の第三法則(作用反作用の法則)を説明できる。 | 4 | |
周速度、角速度、回転速度の意味を理解し、計算できる。 | 4 | |
向心加速度、向心力、遠心力の意味を理解し、計算できる。 | 4 | |
仕事の意味を理解し、計算できる。 | 4 | |
てこ、滑車、斜面などを用いる場合の仕事を説明できる。 | 4 | |
エネルギーの意味と種類、エネルギー保存の法則を説明できる。 | 4 | |
位置エネルギーと運動エネルギーを計算できる。 | 4 | |
動力の意味を理解し、計算できる。 | 4 | |
運動量および運動量保存の法則を説明できる。 | 4 | |
剛体の回転運動を運動方程式で表すことができる。 | 4 | |
平板および立体の慣性モーメントを計算できる。 | 4 | |