ModelPhys21

理工学部の出身者として常識的な科学(理学，工学)の基本事項を身につける．

• 解説動画
• まだコロナがどうなるかわからないので，未定のところが多いですが，基本的に以下の方針でいきます．
• チーム評価に戻します．

• 定期試験で評価する．
• 期末試験の結果をグループで平均する．
• 授業中の発問に解答，あるいはまともな質問をしたグループにボーナス点を与える（合計20点ぐらい）．
• 課題をレポート(用紙ModelingPhysQuizSheet.pdf)として提出（2点X12回）ボーナス点とする，試験にはその類題がでる．

動画で提供するポンチ絵

現象を単に写真のように書いた絵と文章では本質的な理解にはあまり役立ちません． 授業でお見せしているポンチ絵には， 本来の空間では見えない時間軸やポテンシャルエネルギーといった平面を書いて視覚化しています． そういう見えない軸などを考えて現象の本質的な理解を試みるのが物理です． ぜひ，そういった視点での図を描き， その現象を文章で記述するように努力してください．

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4/8 原発について

講義動画リンク1

講義動画リンク2

配布資料

• what_is_nuclear_nikkei_110410.pdf,
• 10keywords_fukushima_accident.pdf
• 11年度定期試験問題(Exam11.pdf),DecayFission
• c1_decay_fission_memo.pdf

課題

1. ベクレルとシーベルトの違いを分かりやすく解説せよ．
2. 核崩壊(Decay)と核分裂(Fission)の違いを分かりやすく解説せよ．
3. 福島の現状，今後の課題が何であるかを調べてレポートせよ．

4/15 力学の基礎

資料

• ニュートンの運動方程式

動画

• 先週の追加とKeplerの法則まで
• Keplerの法則の視覚化
• Newtonの運動法則のイントロ
• オイラー法によるシミュレーション
• 運動エネルギーの導出

課題(枝番で示した副題に読み替えて回答しても良い)

1. ニュートンの運動方程式 の「空気抵抗がある水滴の落下」を見て定性的に雨粒の振る舞いを示せ．また，大気圏突入時に隕石やロケットが発火する様子を記述せよ．
2. 新幹線で京都から大阪まで移動するときの時間経過をプロットせよ．さらに$v,a$ についてもプロットし，その概形を定性的に説明するとともに，なぜそういうプロットを書いたかを説明せよ．
3. Keplerの第一，第二法則を重力ポテンシャルの図から解説せよ．
   1. 静止衛星の原理とともに論じても良い．
4. ラグランジュポイントに関するイアン・スチュアートの記述を読み問題に答えよ．
   1. ガンダムでサイド５，６などのコロニーが動かないのと理由は同じ ヒント
   2. 金星と火星を移動させて地球とともに3連星とする計画がある．どこに置くのが理想かというのも理由は同じ

4/22 ガソリンエンジン(エネルギーの取り出し)

動画

• 先週の追加とエネルギー
  • focus pointはfocal point あるいはfocusの間違い
• ガソリンエンジンの動作
• ランキンサイクル(原子力発電)

課題

1. ガソリンエンジンが1サイクルでする仕事は

$$W = F \times l = \int_a^b P dV $$ で定義される．図を用いてその意味を解説せよ．

1. 蒸気タービンの1,2,3,4はランキン(Rankine)サイクルのどこに対応するか答えよ．

4/29 熱力学(Carnot cycle, 熱効率とエントロピー)

動画

• イントロcarnot_intro.mp4
• 理想気体のデモcarnot_ideal_gas_demo.mp4
• Carnot(カルノー)サイクルcarnot_cycle_entropy.mp4
• 熱効率とエントロピー

課題

今日の課題は一つです．デモをもとに，枝番2，3を考えてください． 答えだけではなく，なぜそう判断したか．関連する日常の経験とともに違和感，納得感を書いてください． また，枝番3の副題はわかればでいいんで，断熱過程で起こっている現象のミクロな記述を試みてください．

1. 次のデモソフトの数値を読み取り，気体の状態方程式$PV = nRT$ が成立することを確かめよ．
   1. http://192.218.174.33/~bob/nishitani0/processing/cylinder/
   2. デモソフトの気体分子を観察し，ピストン中の気体分子が持つ熱の本質はなにか答えよ．
   3. デモソフトのシリンダー中の圧力は何から発生しているか，力学用語を用いて答えよ．
      1. わかればでいいんで，断熱圧縮，断熱膨張に伴う温度変化をそこから定性的に説明せよ．

5/6 熱統計力学(ボルツマンの関係式, ギブスの正準集合)

内容

• エントロピーって何？
• マクロとミクロ
• ボルツマンの関係式
• ギブスの正準集合

動画

• イントロentropy_intro.mp4
• マクロとミクロboltzmann_relation.mp4
• Gibbsの正準集合gibbs_ensemble.mp4

課題

• 課題の説明ex_description.mp4
• 課題のpdf Freezer.pages.pdf

1. 冷蔵庫の動作原理
   1. クーラーも原理は同じである．どこがどう同じで，どこが違うかを比較せよ．
2. 電子の移動速度
   1. $n=8.6 \times 10^{28}個/m^3$です．

5/13 電気&モータ

内容

• 逆回路，冷蔵庫
• ダムは電気を作っているのではない
  • ダムと水道，発電所と電気
• アラゴーの円盤
  • 直流モータ
  • 誘導モータ，同期モータ
  • 三相交流

動画

• アラゴーの円盤動画arago_480.mp4
• モータイントロmotor_intro.mp4
• アラゴarago.mp4
• 三相交流three_phase.mp4

課題

1. IHクッキングヒータと誘導モータの原理を比較せよ
2. 三相交流により回転磁界ができる様子を解説せよ

5/20 priusと前期量子論

内容

• Priusの原理
• 前期量子論（黒体輻射，光電効果，コンプトン散乱）

動画

• Priusの原理Hamada_prius_hybrid_system.mp4
• 量子論intro
• 前期量子論の実験

課題

1. Priusの燃費が向上している理由を絵を使って解説せよ
2. 金属の光電効果を説明するアインシュタインの光量子仮説について，「風呂桶」モデルで説明しなさい．

5/27 前期量子論

内容

• Planckの量子論
• 太陽系と原子系のメタファ
• 2原子分子

動画

• Planckの量子論
• 太陽系と原子系のメタファ
  • 「原子核の周りを太陽が回っている」わけではありません．原子核の周りを回るのは電子で，太陽の周りを回るのが惑星です．いいこそ間違いです，許して！

課題

1. 太陽系と原子系の相違点と類似点を示せ．
2. Planckの法則を導出せよ．

6/3 大気の効果とアルベド

内容

• 伝熱の3形態，アルベド
• Stefan-Boltzmann
• 大気の効果

動画

• albedo_intro
• stefan_bolzmann
• albedo
• green_house_query

課題

1. 大気がある場合とない場合で地球の表面温度はどのくらいになるかを計算せよ．
2. 地球と温室の似たところを記せ．

6/10 分子結合

内容

• 2原子分子，ブードヮー反応
• 共有結合，イオン結合
• 双極子モーメントと透明・不透明

動画

• イントロ：dimer_intro_intro.mp4
• 異核：dimer_intro.mp4
• イオン化傾向，ブードヮー反応:dimer.mp4
  • 「卑な」と「貴金属」，Boudouard reactionです．
• 共有性とイオン性：covalency_ionicty.mp4
• 大気は紫外に透明，赤外に不透明の意味：dimer_moment.mp4

課題

• AB-dimer.pages.pdfの課題を解いてLUNAへ提出せよ．
• 地球温暖化は，温室とよく似た状況にあると言われます．どのようなところが似ているのかを説明しなさい．

6/17 透明・不透明，状態図

内容

• 光，ホイヘンス，屈折，シャーベット

動画

• 透明・不透明イントロ：transparency_intro.mp4
• プリズムによるスペクトル分解:prisim_demo.mp4
• 透明・不透明pdf：pdf_presentation.mp4
• 透明・不透明：transparency_1.mp4
• 状態図：phase_diagram.mp4

課題

• ミョウバンー水の状態図において一相領域と2相共存領域を示せ．温度，タネ結晶，溶解度限というキーワードを使って単結晶作成法を解説せよ．
• ホイヘンスの原理から光の屈折の様子を解説しなさい．光の速度が変化する原因は周波数か波長のどちらの変化に起因しているか理由を附して予想しなさい．

6/24 半導体,直交変換

内容

• 金属，誘電体，半導体
• 真性半導体，不純物半導体，PN接合，整流
• パワー半導体,光ギャップ，交流

動画

• イントロ：semiconductor_intro.mp4
• 半導体：semiconductor.mp4
• pn-junction：pn_junction.mp4
• 課題：semiconductor_ex.mp4

課題

• pn接合によって整流される原理を解説せよ．
• 真性半導体の電気物性の原因を解説せよ．
• 直流から交流に変換する回路の原理を推測しなさい．

7/1, 8, 15, ... 期末試験

• 過去問

問い

モデリング物理学のレポート課題について質問があるのですが、一回の講義にある全ての課題をA4用紙に回答し、一つのレポートとして提出する(例えば第一回の講義のレポートを提出する場合、課題1、2、3についてA4用紙に回答する)それを合計4講義分提出するという認識でよろしいのでしょうか？

回答

• 問い合わせありがとう．えっと，一回の講義のどれか一つについてレポートをひとつ作ってください．
• 今回ですと，三つをまとめてレポートにしてもいいですが(関連していますので)，一回としか勘定しませんという意図です．
• 逆に，三つのうち，ひとつの課題に答えるだけでも一回と勘定しますということです．
• ただA4一枚にするのはしんどいでしょうね．

問い

モデリング物理学を受講しているのですが、課題について質問が2つあります。

1. 課題の提出期限はいつでしょうか？
2. モデリング物理学のwebサイトを参照したのですが、第一回講義のところに課題が３つ箇条書きで載っていますが、各回に4つレポートを出す課題とはまた別の課題なのでしょうか。

回答

1. 期限は多分，成績付け前です．7月の試験開始をめどにしてください．でもあまり先送りせずに，講義動画を見てすぐに書くのがいいですよ．

1. 12回程度の講義で，各回3，4個，全部で30ぐらいの課題を出します．その中から，好きなのを4つ選んで，レポート書いてLUNAへ提出．一回の講義の課題を重複して答えてもひとつのレポートとみなします