この記事は高校の物理で学ぶことの全体像をまとめたものです。
なので、自分で必要なところを以下の目次を参考にして各自ピックアップしていってください！！
物理とは？
物理という学問は、物の理と書く。
物理はこの世の「物」がどのようなルールで動いてるのか？
というのを解き明かそう！
という学問である。
そして、一つの法則でまとめれば最強じゃね！というのが、
物理のゴールである。
例えば、
「休日はほとんどの人が平日の疲れを埋めるために昼まで寝ている」
という法則を見つけたとしよう。
これが、正しいのだとしたら、
休日仮に１１時に起きて1時間、
アル中カラカラの動画を見ていても、
一般の人たちよりも有効な時間を過ごすことができる。
一方で、平日どうすれば疲れを溜めないようにできるのか？
といったよりレベルの高い考え方もすることができる。
おすすめの参考書
なので、その法則を整理するためには、高校物理では、最低でも数1A
あたりの知識は身に付けておくべきべきなので、
おすすめの参考書を張っておく。
正直、センター試験や地方国立大のレベルであれば、
黄色チャートや教科書の知識で、
平均点はいくであろう。（得意にしたいのなら別）
また、物理メインだと有名であるが、
物理のエッセンスが分かりやすくておすすめである。
これらは、大学受験だけでなく、大学教養にも大きく役に立つ。
力学、熱力学、電磁気、波動はもとより、量子力学の導入は原子分野だからだ。
また、工業系資格にも十分に役に立つ。
例えば、
電気系の資格なら、
電気工事士、
電気主任技術者、
電気通信技術者、
技術士、弁理士・・・
といったものが当たる。
力学
力学というのは、1つの物体に注目したときに、
どのような動きをするのかを知る学問である。
そう考えると、野球ボールから、
血管に流れている赤血球、細胞一つ一つまで、
ある程度の大きさのものならば、
すべてのものに対応しているといってよいだろう。
位置
位置というのは、何だろうか？
それは、相手がどこにいるのか？という
目印である。
例えば、私は今北海道にいるとしよう。
という意味は簡単に理解できるだろう。
だが、北海道から1000キロ離れたどこか？
と言われたら、想像できるであろうか？
できないよね。
このように、北海道という目印が必要である。
こんなわけで、目印というのは凄く役に立つのだ。
だが、目印がたくさんあればいいというものではない。
例えば、東京23区をすべて言えるか？
と問われたら、
言えない人もいるだろう。（私も言えない）
さらには、位置関係はどんな感じ？といったことは、
地理的にイメージできない人でないと難しい。
そう、こんな時に座標という考え方を使うのである。
緯度と経度というやつだよ！
イギリスのロンドンを基準
を基準にしているらしいあれである。
座標には、チェック柄のような、
直交座標（ガウスさんが作ったからガウス座標ともいう）と、
金属探知機によくある極座標がある。
直交座標は、簡単にイメージしやすく使いやすい。
中学校で習ったグラフは全部直交座標である。
しかし、金属探知機や落とし物のありかを調べるために必要なのは、
目的物までの距離と方向である。
このように、面白いのはどのような座標を使ったとしても、
2次元（平面）では二つの情報が必要となり、
空間（3次元）では3つの情報が必要になる。
これは、分からない数が2つある方程式は2つの式が必要な
連立方程式に似ている。
これを発展させると、
行列、線形代数といった学問になる。
このように、座標があれば、
どこに何が存在しているのかが分かりそうである。
だが、ここで、
2つ忘れてはいけないものがある。
基準と方向である。
基準とは簡単にいえば、原点の位置である。これが無いと、
相手に位置というものを正確に説明できない。
例えば、留学生が「俺、首都に住んでたんだよね」と言ってきたら、
その人がどこ出身なのか分かるだろうか？
首都がアメリカの、なのかイギリスのなのか、
といった感じで基準が明確になっていない。
とはいうものの、私の英語能力が悪すぎて、
国名を聞き逃していただけだが。
このような感じで、
位置は超重要である。
もう一つ重要なのは、方向である。
右と左も分からない、といった言葉があるよう
に、方向といった考えは、物理学では、
まじで気をつけねばならない。
電流がどっち向きに流れているか？
力はどっち向きに流れているか？
すごく大事である。
大事じゃないと思っているやつに質問したい
自動車をバックさせようと思ったら、
全速で前進して自分に突っ込んできた
というジョークを笑えるだろうか？
というわけで、向きは極めて重要である。
座標には、いくつの変数（軸）があり、
その基準と方向が大切
では、自分たちが観察していた物が動いたらどうしよう？
この世のものは、どんなものでもよく見れば動いている。
これは、何による影響なのだろう？
もちろん答えはいろいろあるが、
答えはここでは、時間としておこう。
（一応、情熱とかでも正解ではあるが。。。）
だって、ザ・ワールドやったら止まるでしょ？
なので、位置というものは、時間によって決まるらしい。
注目した物体の位置と時間がどういう関係にあるのかを調べることが、力学といえるだろう。
速度・加速度
でも、位置と時間がどのような関係にあるかなんて、まじで難しい。
だって、規則正しく動く電車でさえも、遅延ということを考えると、
位置と時間の関係を見出すというのは、極めて難しい！
だが、なぜ力学では、そんなことをしたがるのか？？？
それは、未来が知れるからである。
いわば、だれでも時をかける少女になれるのである。
（ただし、性別は変えられない）
もちろん、実際には誤差はあるが、
ある程度の未来を、位置の式に、未来の時間を
代入すれば、求められるのである！！！
面白いよね！！
なので、この面白いものをより焼かりやすくするには、
1秒あたりどれくらい動く
のかという目安である速度(velocity)という考え方があれば、
なんとなくイメージが付きやすい。
さらに、その速度が1秒あたりどれだけ変化するのかといった
加速度なんて言うものもある。
そう考えると、加速度が1秒あたりどれだけ変化するのかといった
加加速度なんて言うものもありそうだが、
沢山考えればいいというものではないので、
今のところない。
では、なぜ、加速度というものが定義されたのかというと、
これには、
運動方程式という概念が重要になってくる。
位置と力を橋渡しする運動方程式
方程式とはなにか？
それは、知りたいの関係式である
分かりやすくいうと、
砂金がある川に砂金を集めに行くようなものである。
砂金もとれる場合と取れない場合もあるので、
方程式が必ず解けるとは限らない。
面白いよね。
話を戻すと、運動方程式は、物体に力を与えると、
どれだけの加速度が生じるか？
ということを現している。
いわば、力と加速度という2つの全く異なった情報を結び付けているのだ！
これってすごくないですか？？？？？
ということは、うまく式を変形すれば。。。。
物体に加わる力が求まれば、加速度、速度、位置と
いもづる式に求めたいものが、
明らかになっていくでしょう！！！
これは、古典電磁気学では、
電子にも応用ができるので、このことから、オームの
法則やサイクロトロンなどの原理が説明できる。
それはさておき、運動方程式を応用すると、
運動量保存則とエネルギー保存則を導くことができる。
運動方程式を立てるコツ
以下にポイントをまとめたので、見てほしい。
- 1つ1つの物体に対して立てる
- 触れている力と触れたいない力をそれぞれ漏れずに書く
まず、浮気はしてはいけない。
物体、一つ一つに注目して地道に運動方程式を立てていく。
浮気は振られるということだね。
次に、この世の中には、力というものは2種類存在する。
触れて初めて働く力(殴るときの効力、滑るときの摩擦力)と
触れずして働く特別な力（重力、静電気、磁力etc）
この2パターンに分けて考えてほしい。
運動量保存の法則
これは、相手を殴ったら自分も痛いという言葉からきている。
いわば、作用反作用の法則である。
ガウス加速器というものにも応用されている。
簡単に説明すると、相手を押すと、自分が押し返されて、相手が押されるのだ。
これを、相手と自分ごとに対して運動方程式を使って式を立てるのだ。
$$F_1 = m_1 a_1$$
$$F_2 = m_2 a_2$$
作用反作用の法則より、向きに気を付けて、
$$F_1 = -F_2$$
これにより、
$$ma_1 +ma_2 = 0$$
この加速度を、以下の式を用いて速度の式になおす。
$$a = \Delta v / \Delta t$$
これによって、運動量保存則は導出できる。
ここで、気を付けてほしいのは、運動量保存則は作用反作用からきている。
つまり、壁ドンでは、ダメなのである。
お互いに、確実に力の影響を与えつつ、それ以外の力の影響を受けてはいけない。
エネルギー保存則
大学レベルなら、運動方程式に速度をかけて積分して導出する。
高校レベルなら、以下の考え方を使えばなんとなく理解できるであろう。
$$ v^2 – v^2 _0 = 2 a x$$
この、時間を犠牲にして、速度と加速度と位置の関係をだす、
等加速度運動の式と、
$$ F= ma$$
運動方程式の式を融合させた式といえる。
これで、エネルギー保存の法則は導くことができる。
（厳密にはこれは不正確であるが、難しいので省略します）
なので、使用する際は、基本法則（運動方程式）と等価である
ということを意識してほしい。
つまり、
運動方程式が使えるような状態ならば、
エネルギーさえ分かっていれば、
ただの足し算や引き算で表すことができるのだ！！！！！！！
円運動
円というのはどんな図形だろう？？？
こたえは、中心から一定の距離で動く物体が動くときに描く図形である。
ヌンチャクのことだよ。
でも、ヌンチャクのひもが切れたら危ないよね。。。吹っ飛んでいくし。。。
なので、円運動をするためには、吹っ飛んでいかないように工夫しなければならない。
つまり、中心方向に何らかの力が働いていると考えることができる。
これが、向心力である。
これに、運動方程式を用いることによって、張力や垂直抗力などが求まる。
つまり、これを利用して、円運動する条件が分かるんだよね。
補足として、大学レベルでは座標変換を上手く扱うとコリオリ力という力も出てくる
wiki コリオリ力
座標系を時間で2階微分する。
ヨビノリ先生は、座標変換の微分を用いて詳しく解説しておられる。
また、雑談として、台風は、緯度における地球の回転スピードの差から生じている
ということも余談として説明している。
慣性力と遠心力
電車が加速すると、その反対方向に移動するという謎の力である。
なので、この力を運動方程式では、考慮できないため、理想的に
運動方程式は、止まっている人（等速度運動しているひとでもＯＫ）
から見た式でなければならない。
だけど、どうしてもそんな環境では書けないといった場合に慣性力を使う。
電車の中（慣性力）やジェットコースターの中（遠心力）といったところである。
ちなみに、遠心力というのは、慣性力と同等のものともいえる。
単振動
- 高校物理では、図形的なイメージ
- 大学レベルでは、運動方程式の解
単振動とは、単純な振動のことで、いわゆる、正弦波である。
ちなみに、円運動を横から見ると、
$$x=Asin(\omega t)$$
となる。いわば単振動である。
このようにして、円運動の拡大解釈として単振動を説明することもできるが、
受験レベルであると三角関数の微分を使った解法も重要になってくる。
とはいえ、一言で説明すると、
$$ma = -kx$$
の解は
$$x=A sin(\omega t)$$
ただし、
$$\omega = \sqrt {k/m} $$
つまり、解の公式として上の形を丸暗記してほしい。
とはいっても、
微分ができれば覚えやすいが。
これで、運動方程式を作ったら、この形で解いてしまうのだ。
これが、高校での解き方であるが、
大学レベルだと2階級微分方程式を解く。
制御系の人だとラプラス変換というチート技を使用することができる。
これは、電気分野でもよく使用されている。
なぜなら、微分方程式というのは、どのような運動をするか？
というヒントが隠れた式なので、それを解かずにも、ラプラス変換をして、
式を変換するだけでも、システムの崩壊を招く運動をしているかどうか判定することができる。
万有引力の法則
万有引力はガリレオやケプラーたちが集めた天体データや法則を、ニュートンが、
運動方程式を駆使することで、発見した仮説である。
簡単にいうと、リンゴが木から落ちるのを見て、
「リンゴと地球が引っ張っている！ってことは、天体と天体も引っ張り合ってるんじゃね？？」
と仮説を立てて、万有引力の法則としてまとめたが恐ろしいほどに精度が
高かったのである。
ちなみに、これは、静電気力と比べると弱い。
だって、人と人の間に静電気はありそうだけど、万有引力はね？？？
さらに、アインシュタインが重力は空間のゆがみであるという解釈を、一般相対性理論で示した。
なので、現在では、重力は光速で伝わっていると考えられている。
以下に参考にしたwikiを載せる。
熱力学
熱力学は永久機関という、人間がサボって巨万の富を手に入れようというゲスな思いから始まった学問だといえる。
熱力学第一保存
これは有名で、燃料が無くても、働いてくれる奴隷を作りたかった人類にとどめの一撃を放ったことで有名である。
もっとまじめに説明すると、
$$\Delta U = Q + W $$
という数式で表される。
これはつまり、
脂肪Ｕは食事Ｑをすると増える。
ダイエットをする（-100calくらい？）と脂肪Ｕは減るので、
食事と運動のバランスで脂肪の蓄えられる量は決まるという考え方に近い。
つまり、食事を0にして働くと死ぬことから、永久機関を作ることは不可能だということが分かった。
分子運動論
熱というのは何かということを昔の人はなぜか知りたかった。
そこで、ジュールという人が、水をかき回すとその水温が上昇することを突き止め
た。
これは偉大なことで、熱がエネルギーだということが分かった。
これにより、熱というものは効率は低いがべつの、エネルギー形態、電気や機械エネルギーに変換できるのではないか？
といった考えを持てるようになったため、現代には自動車といった熱機関や火力発電所が存在する。
以下自分の作った記事なので、もし興味があれば読んでほしい。
熱というのは、別のエネルギーに変換する効率が悪いといった話だ。
ここで話を戻そう。
気体とは、分子の集合体であり、それが振動することこそが熱ではないか？
と考えた天才がいた。
この考え方のもとに内部エネルギーという考え方が生まれた。
つまり、分子の振動エネルギーを足し合わせたものは、
絶対温度に比例するという
ものである。
絶対温度というのは、
気体が温度を下げることにより体積がほぼ直線的に小さくなるということ
から生まれた考え方である。
それじゃあ、、、、
温度を下げまくれば、、、体積0になるんじゃね？？？
その温度を絶対的な0度つまり、絶対零度って名前にしようよ！！
ということで決定した。
実際には、そんなに上手く行かないのだが、
熱力学の基本的な考え方の一つである。
でだ、
分子運動論は、空気を分子として考えることによって
圧力を求めて、
それを、P,V,Tの関係式である状態方程式
とリンクさせることで、
気体内部のエネルギーは絶対温度
に比例するということを示したのだ！！
これは、壁と分子が衝突しているので、勉強する際は運動量と力積の関係を復習しておくこと
熱力学第２法則
だったら、熱変換効率100%の熱機関は作れないの？？
ちゃんと100の報酬を出すから100の報酬をだす機関ってできるんじゃね？？
これはつまり、ガソリン＝運動＋排気ガス
や、
代謝 ＝ 運動 ＋ 体温調節
という式において、排気ガス=0、
体温調節=0ということができるかどうか？
といった問題である。
熱機関というものは、いわば熱の水車であり、
高い熱から低い熱に移動する際のエネルギーで動く
つまり、熱の落差がなければ、
熱機関などただの鉄くずである。
ここで残念なお知らせがあります
熱は高いほうから低いほうにしか行けないというのが第2法則である。
言い換えると、
分子は速いほど拡散しやすいということ
（コーヒーと角砂糖の例えが有名である）
なので、熱効率100%の熱機関は作れません！！！
熱力学第3法則
なんとこんな法則まである！！！
マニアックなので、高校範囲よりかはかなり逸脱する。
単純にいえば、物体を冷却していけば、
結晶構造になりエントロピーは0に近くなるよね。
といったはなしである。
冷やしていくことにより、
分子が動けなくなり、
結晶の配置が１通りしかなくなってしまうのである。
問題の解き方
とりあえず、
大学入試の熱力学の問題は以下の解き方を理解していれば大体解ける
- ピストンに対して運動方程式（つり合いの式が多い）を立てる
- $$F=PS$$から圧力が求まる
- 温度が分かれば内部エネルギーが求まるので求める
- $$W=PV$$から仕事を求める（大学レベルなら積分）
- 熱力学第一法則でQ,W,$$\Delta U$$の関係を調べる
ただし、断熱変化は仕事を
補足として、$$W=PV$$は、微小区間や定圧変化しか使えない。
正しくは仕事はPVグラフの面積だと覚えておくとよい。
$$W=\int^V_{V_0} P dV $$
のほうが正しい。
なので、定圧変化以外は基本的に$$W=PV$$
の式では求められない。なので、
グラフが複雑な断熱変化の場合には
熱力学第一保存で
間接的に求める。
波動
波とはなにか？
波とはなかなか複雑な現象である
波というのは、時間変化するごとに、隣に、同じような情報をどんどんバトンパスするようなものだと考えている。
なので、時間と位置というのが大事なキーワードである。
なので、波には
時間と位置という
2つの情報が必要でそのときはじめて、
波の高さが決まる。
言い換えれば、波というのは、3つのデータの集合体である。
ちなみに、波というものを１枚の写真としてあらわすことはできない。
だから、動画で表すしかないが、強制的に表すのなら、
- y-tグラフ（ある地点だけ見て単振動を見ているグループ）
- y-xグラフ(波全体をザーワールドしたもの)
いわゆる同じ場所で単振動見ている派と写真撮影派である。
この2枚が無いと絶対に波について理解することができない。
あと波というのは、連続であり、
隣にバトンパスするしかないということを忘れてはならない！！！
たとえば、
基準となる点からxだけ離れた場所に波が届くのにかかる時間は、
$$x/v$$
である。
つまり、
xに来た時のなみというのは基準点0地点をちょうど、$$x/v$$まえに
渡ったものと考えることができる。
ゆえに、時刻tでの、地点xの波は、
時刻$$t-x/v$$での地点0での波の波形と等しくなる。
これを使って、波の一般式を求めるのだが、詳しくは省略する。
これを応用した形に波動方程式というものがある。
偏微分方程式ともいうのだが、これは、波の方程式で、
雷が送電線に流れた時、どのように、異常な電気が伝わっていくのかを調べたり、
神経がどのように信号を伝えていくのかということや
量子力学の分野でシュレーディンガー方程式
を原子単体や単純な分子の場合に解く
といったことに使われている。
波の重ね合わせ
なみというのは、お互いに干渉を及ぼさない。
たとえば、隕石と地球がぶつかったらやばいことになるが、
音と音がぶつかってもやばい事にはならないといったイメージだ
これは、
以下の定常波や干渉といったことの元となる原理である。
定常波
進行方向とその反対方向に性質大きさや、
振動数、波形が同じで速度が真逆の波が
ぶつかると、
ギターの弦のようにまるで移動していないような波が生じる。
干渉
波というのは同じ形をしていて、
それを何度も繰り返すので、
1波長ずれると波は重なるので、
振幅が2倍になる。
一方で、0.5波長ずれると、+1-1=0となり消えてしまう。
なので、2つの波長のずれさえ分かれば、合成した波は、
強め合うのか、弱め合うのかが分かるのだ。
波が2つの異なる光路を通る時の距離さから、
波がどれだけずれているのかが分かるが、
2つの光路がガラスと真空というように材質が異なる場合だと、
波長の大きさが変わってしまうので、
その影響も考えなければならない。
具体的にはガラスはかなり短くなる。
これを補正したのが光学距離である。
こういった問題は、
- 幾何学を使って光路差（or光学的距離）を求める
- どれくらいの波長分ずれているか調べる
- 明暗の条件を代入する
という流れになる。
電磁気学
電磁気学というのは、
スライドリンク
電気工学について情報収集している方用に、
電気工学の簡単なスライドを用意してあるので、
良かったら確認してほしい。
数式などの説明はスライドがメインである。
電場
まず、電荷というものから説明しよう。
これは、電子や陽子といった、電気の粒と考えてほしい。
また＋極と＋極は反発するように、電荷というものは、
別の電荷に力を及ぼしてしまう。
それは、重力のように、
空間を伝わる魔法の何か？
だと考えると良い。
でも、魔法の力（電磁気力）は、
1Cの電荷や2Ｃの電荷だと当然受ける力も異なってしまう！！
ちなみに、Ｃは電荷の単位である。
この場合は倍の力を受ける。
ここで、この魔法の力に電場もしくは電界といった名前を付けてあげよう。
このように、同じ電場の中でも、受ける力というのは、その中にポツン
とある電荷の大きさによって異なってしまう！！
なので、電場は1Cの大きさがどの方向に、どれだけの力で動くかという
力（ベクトル）で定義される。
なので、電場の足し算は力と同様にベクトルで計算する
電位
一方電位とは、電界に逆らい１Cの電荷を動かすのに必要なエネルギーである。
これは位置エネルギーと比較すると分かりやすい
$$U= Fx =(mg)h=m(gh)$$
$$U= Fx = (qE)d =qV $$
これは、力学、電磁気学同士の比較である。
相違点もあるが、電位というのは、
力学で言う高さというイメージでほぼ間違いないといえる。
なので、もちろん
点電荷での問題の場合は、
力学的エネルギー保存則や運動方程式も使うことができる
これについては、
以下のサイトのトムソンの原理がいい練習問題になると思う。
このサイトは、磁気分野も入っていて面白いと思う。
ここで分かることは、電位というのは、
エネルギー量なので、合成する場合はただ足すだけでよい！！
ちなみに、厳密に考えると、
電位というのは、以下の式で表すことができる
$$V=\int^r_ {r_0} -E(r)dr$$
と表すことができる。
このマイナスは電位が電場と逆らった向きに1Cの電荷を動かしたことによって必要な仕事だからである。
ガウスの法則
クーロンの法則は恐らく知っているだろう。
$$E=kQ/r^2$$
である。これは、電荷に近ければ、
近いほど強くなる。
電場というものはＱが大きくなれば強くなるらしい。
この式を変形すると、
$$E=4\pi kQ/4\pi r^2$$
となる。どうだろう。。
$$4\pi kQ$$という総量を$$4\pi r^2$$という、
電場全体を含む球の表面積で割っ
ていると考えられないだろうか？？
これが、ガウスの法則で、
一般化すると以下の式になる。
$$E=4\pi kQ/S$$
これは、面積Ｓの平面版コンデンサに直接使える式なので、以下に説明する。
（一般式は積分を使わなければ本来は行けないのだが、今回はそれらは難しいので省略する。あくまで考え方を載せたいので)
コンデンサー
平面版のコンデンサー式
$$Q=CV$$と
$$C=\epsilon S/d$$
という式は、先ほどのガウスの法則と電場と電位の関係$$V=Ed$$
から求められるので、一度見ておくと良い。
直列回路、並列回路の式は、スライドで見てほしいが、
主に導き方として、
$$Q=CV$$と
$$C=\epsilon S/d$$
を上手く使う方法と
と電気量保存で解く方法がある。
電気量保存の法則は、電荷は粒なので、孤立した環境に取り残された電荷は
ずっと、そこにいなくてはならない。
これを使ってＱの式を立てる
（二つのコンデンサの並列つなぎなら、$$Q=Q_1 +Q_2$$）
つぎに、キルヒホッフの第２法則で電圧の関係を調べる。
ここで、QとＶが求められたので、
$$Q=CV$$で関連を調べる！！
直流回路
まず、オームの法則について説明する。
簡単な説明だと、
抵抗を電子顕微鏡でみると、電子の流れを妨げる粒子がある。
これに電子が通ると、パチンコ玉みたいに加速することができず、
カン、カン、カンとほぼ一定の速さで下っていく。
（かなり誤解を含む言い方だがとりあえずイメージである）
これによって、抵抗率だけではなくジュールの法則まで示すことができる
これは、空気抵抗の力学モデルに似ている。
一方で、キルヒホッフの法則というのがある。
第1,2とあるが、私は電流の法則、電圧の法則と呼んでいる。
電流の法則は、水流のように、勝手に漏れ出ないでただの足し算であるということ。
電圧の法則は、電池などで作った電圧と電球などのエネルギー消費で下がった電圧は等しいということ。
つまり、電圧の法則は、電位がエネルギーという概念ということもあってかエネルギー保存の法則に近い。
これを使えば、抵抗の直列、並列の計算もできるが詳しくは私が作ったスライド等を参考にしてほしい。
また、キルヒホッフの法則は、回路工学全般に使えるということも覚えておこう。
磁気
ビオザバールやアンペールの法則について語ろうと思ったがとりあえず覚えていて欲しいのは、電荷が流れるとその速度に比例した磁場が生じる。
言い換えれば、電流に比例した磁場が生じる
ちなみに、磁気オーム（アンペールの法則）を分かりやすくしたものは、スライドに載せてあるので、ここでは省く。
覚えていてほしいのは、電流が生じると、大きさに比例して、右ねじの法則しかり、
時計回りに磁場が生じるということだ！！
最悪これが分かっていれば、ソレノイドコイルも、原理をイメージすることはできる
これは各自教科書で参考にしてほしい。
モーターの原理（フレミングの左手）
電流が流れると磁場が生じる。
それによってもし、磁石が近くに存在すれば、力が生じる。
つまり、電磁石の電流を変えることによって、
磁石を吸い寄せたりすることができる。
この考え方を応用したものが、キルヒホッフの左手の法則だ。
詳しい原理はスライドを参考にしてほしい。
これは、
密度が高いところから低いところへと流れが生じるという
イメージで説明できるが、
難しいので、まずは暗記してほしい
発電機(ファラデーの法則)
ファラデーの法則とは、コイルに磁石を近づけると、
その変化の逆方向に電圧が生じるというやつである。
これは、教科書に載っている式から分かるが、
磁場をめちゃくちゃ早く変化させれば、
すごく高い電圧が得られるよ
ということさえ頭に入れておけばとりあえず大丈夫である。
まとめると、磁場が変化すると
電圧が生じる
コイルなどに共通して言えることは、
「向きを妨げる向きに」、
がキーワードであるということである。
これを無視すると、
どんどん大きくなって、エネルギー保存の法則を無視するの
で、当たり前といえば当たり前であるが、、、
自己誘導
自己誘導とは、
- コイルの電流を変化させる
- その周りに発生する磁場が変化する
- 磁場が変化すると電圧が生じる
といったものである。主に、車のバッテリーの点火プラグという、
火花を点ける装置に使われている。
電流変化→磁場変化→電圧の発生
相互誘導
- 銅線（コイル）に常に変化する電流を流す
- 変化する磁場が発生する
- それを、キャッチした別の銅線（コイル）が電圧を発生させる
このようにして電圧を発生させている。
主に、変圧器（トランス）という電圧を変化させる器具に使用されている。
交流
高校レベルなら、
まずはあのベクトルの関係図を覚えてほしい。
そしたら、
それを
- 直列なら、電圧のキルヒホッフ(第2法則)
- 並列なら電流のキルヒホッフ(第1法則)
、
を使って解く
問題集に書いてある三角形を書く問題の全パターンがこれである。
過渡現象
この用語の意味は、
安定するまでに、どのような変化をたどっていくのか？
という意味である。
空気抵抗で例えると分かりやすいであろう。
雨は最初は落ちていくうちにスピードは速くなるが、
空気抵抗にさらされある速さ、
よりも早くなることはできなく、
その速度をキープしながら落ちていく。
まず、コイルの場合を説明する。
コイルは、最初電流は流れない！！！！！
なぜなら、変化を嫌うからである！！！
でも、結局銅線なので、少しずつ流れていく。
自分の作った磁場にうぬぼれているのだ！！！
つぎに、コンデンサであるが、
コンデンサは、最初充電してほしいので、
電流が流れなければいけない。
そのあとに、だんだんと電流が流れなくなり充電完了時に電流は流れなくなる
原子
光は粒子なのか波動なのか？
金属に光線を流すと電子がボコっと飛び出る。
これを、光電効果という
ここで、おそらく普通にのひとだと、
「だったら光の強度上げれば、電子がより簡単に飛び出るんじゃない？」
と考えるだろう。
しかし、これは振動数の低い光だと全く飛び出なかったのだ！！
とにかく振幅を上げれば、エネルギーが大きくなるから、振動数がどうであろうと、飛び出るんじゃないの？？？？？
という考えが否定されたのだ！！
なので、これを解決するために、
光は、粒子の性質を合わせ持っているのではないか？
という考え方に至った。
また、光は、質量を持たないために、
運動エネルギーや運動量では特殊な式を用いる
この考え方により、
ボーアモデルやフラッグの法則、
コンプトン散乱などが考えられた
この考え方は、
基本的には、公式の暗記以外は力学、電磁気学、波動の内容なので、実質そこまで難しくはないだろう。
原子核
これは、原子が核分裂、核融合する際に、
本来は質量保存するはずが、
しなくなってしまうというところから生じている。
つまり、
1gの水素と1gの水素を核融合させると
2gのヘリウムが発生するはずが、
1.99gのように、どこかに質量が飛んで行ってしまうという現象である。
これは、質量が、膨大なエネルギーになって出力されたといえる。
これが太陽や原子力発電所の原理である。
