物理の世界（‘０３）

HOME 2004/11/08 1137212.doc 科目名物理の世界(03) 1/3 1 ＝物理の世界（‘０３）＝（TV）〔主任講師：生井澤寛（帝京平成大学教授）〕〔主任講師：波田野彰（帝京平成大学教授）〕全体のねらいここ数年の傾向として、高等学校における科目選択や大学入試において、自然科学、特に物理学は嫌われているらしい。その主な理由は、難しい、具体的なイメージがつかめない、訳の分からない数式や概念ばかり出てくる、等だと言う。世の中には、物理以外にも面白いことはいっぱいあるし、物理を知らなくとも困ることはない、と思う人は多い。だが、物理を初めから好きだという人は別としても、物理にあこがれたり、その深淵に触れてみたいという人は相変わらず多い。こういう人達を捉えることがうまくできないとしたら、教える側にも責任はあるにちがいない。ここでは、物理の嫌いな人には、物理が身近になったなあと、物理を好きだという人にはより好きになった、と思ってもらえるような「物語」として話を進めていこうと思う。だからあえて、物理学とは言わない。また、物理を身近に感ずるためには、体験が要る。身の回りのものでやれる実験を用意するので、自分でやってほしい。回テーマ内容執筆担当講師名 (所属･職名) 放送担当講師名 (所属･職名)

1 物理とは何だろう物理は、自然科学の基礎と言われる。では、物理は一体何を相手にする科学なのだろうか。自然を相手にするとき、色々な切り口があるが、この講では、大きさ、言い換えると長さの尺度を中心に見ていって、物理の相手が何かを見ていこう。もっとも小さい相手（素粒子）ともっとも大きい相手（宇宙）を比べると、10 の後に60 個以上もの0 がつくほどの違いがあることがわかる。物理は、こんなに広い世界を相手にするのである。生井澤寛（帝京平成大学教授）生井澤寛（帝京平成大学教授）

2 力って何だろうあの人は力持ちだとか、政界に力があるなどと、私たちは日常的に力という言葉を使っている。では、物理で言う力とは何だろう。実は、物理の最も重要な目標は、自然界に存在する力が何かを探りその力の原因を追究することだと言ってよい。だから物理では、力についの定義は、きっちり定められている。この講では、力について、もっとも基本的なことを、力が物体の運動の何と結びつくかを追及しながら学んで行こう。同上同上

3 力は何を産み出すか：運動と仕事力は、物を結合させたり、動かしたり、仕事をする。前の講に続いて、力が運動の何と結びつくかをさらにつきとめる。そうすると、運動に関する基本法則がわかるとともに、力のきちんとした定義が見えてくる。つぎに、力のする仕事について考える。仕事を物理的にきっちり定めると、エネルギーとその保存則という、物理でもっとも大切な概念に到達する。同上同上

4 熱とはなんだろう今日は風邪で熱があるとか、熱のこもった演説とか言う。では、熱とは何だろう。「熱」には形容詞としての「熱い」と名詞としての「熱」という意味の二通りの使い方がある。つまり、程度と量としての使い方である。前者からは「温度」という概念が生まれ、後者からは第３講で学んだ仕事と同じ、エネルギーの一形態としての「熱」という物理量であることがわかる。この関係を追求すると、温度と熱についてふだんから知っている当たり前のことから、きわめて基本的な法則が見えてくる。波田野彰（元東京大学大学院教授）波田野彰（元東京大学大学院教授） 2004/11/08 1137212.doc 科目名物理の世界(03) 2/3 2 回テーマ内容執筆担当講師名 (所属･職名) 放送担当講師名 (所属･職名)

5 熱は全部仕事に変えられるか第4 講で熱は仕事と等価であることを知った。仕事は全部熱に変えられる。では、熱は全部仕事に変えられるのだろうか。実は、この答えは誰でも知っている。環境にやさしい、燃費効率の良いエンジンを開発しようという努力は、実は、燃料の持つエネルギーの全てを仕事に変えることが出来ないためにやむを得ずする努力なのである。熱を仕事に変える効率をより良くしようという努力が、熱についてのもう一つの重要な基本法則を導いた。波田野彰波田野彰

6 水の不思議水は生命を育んだ。水なしには生物は存在できない。物理だけで、水のこの役割を全てときあかすことは出来ないが、第4 講から第5 講にかけて学んだことをもとにして、水の基本的な性質を考えよう。まず、水に限らず、全てのものが置かれた条件の違いで示す姿（相）と相の間の変化の様子について見ていく。つぎに、水の特異性について探り、なぜ水が生命を生み出し、どのように現在、私たちの住む生命圏を作り維持しているかを見る。生井澤寛生井澤寛

7 波は場だバネに重りをつけ、引いてから放すと振動する（調和振動）。では、沢山の重りの間をバネでつないでいったら全体ではどういう運動をするだろうか。答えは波であることを見る。この重りとバネの系は、実は、物質のごく単純化された模型とみなすことができるだけでなく、波を場という概念で捉えることを可能にする。そして、振動や波は、物理に限らず、自然界で安定な状態を少し乱したときに必ず表れる普遍的な運動（励起）状態であることを見ていく。同上同上

8 光も波音と光を例にとって、前講で見た振動と波の基本的な性質を探る。特に光は、レーザーのペンライトで見るように、まっすぐ進み、鏡にあたれば反射し、水に入ると曲がる（屈折）ので、ニュートンですら小さな粒だと考えた。一方、シャボン玉は虹色に輝き、水面の油の膜もやはり虹色に見える。これらは光を小さな粒とすると説明できない。では、光は何か。詳しく調べると、光は波長の短い波であり、後で学ぶ電磁波の一種であることがわかる。さらに、波長の異なる波をたくさん重ね合わせると、粒子のように動く魂を作ることが出来る。これは、第１１講と１２講で見るミクロの世界の理解への橋渡しとなる。同上同上

9 電気無しでは生きられない電気が無ければ、ふだんの生活も生産活動も情報交換も麻痺状態になるだけでなく、私たちも、原子も分子も存在できない。では、電気とは何か。電気の正体を探っていくと、電荷とその運動に行き着く。さらに、磁気ができる原因も分かってくる。そして、電荷の間の力が物を作り上げる基本的な力の一つであることもわかる。電磁気の現象の理解は、ミクロの世界の理解が無くては完結しないのである。ここでは第７講で学んだ場の概念が不可欠となる。電磁気を場（電磁場）ととらえることで理解が深まるとともに、ミクロの世界が見えてくるであろう。同上同上

10 電気を作る電気を作るにはどうしたらよいのだろうか。また、電気によって、モーターはどうして動くのだろうか。前の構でわかったことから、簡単な発電器とモーターを作って動かしてみよう。こうして電気は、仕事と互いに変換し合うことがわかる。他にも電気は、照明（光）や、電話（音）、ヒーター（熱）の例のように、他の形のエネルギーと容易に変換しあえることも見ていこう。さらに、光も実は、電磁場の振動＝電（磁）波の一部であることを第８講より詳しく見て行こう。同上同上 2004/11/08 1137212.doc 科目名物理の世界(03) 3/3 3 回テーマ内容執筆担当講師名 (所属･職名) 放送担当講師名 (所属･職名)

11 量子って何これまでの講に出てきた物理は、その骨格がすでに19 世紀の末までできあがっていて、古典物理と言われる。20 世紀になると、この古典物理では理解できない現象が次々に見つかり、現代物理の世界に入ることになった。その代表的な例として、高温物体から出る光の色と温度の関係（黒体輻射）、光を当てたとき金属から出る電子と光の波長の関係（光電子効果）、温度の低いときの比熱と温度の関係（低温比熱）、放射能を取り上げて、量子が何かを突き詰めていく。また、電子と原子核から原子がどうできるかにも触れよう。生井澤寛生井澤寛

12 電子無しでは生きられない前の講で学んだ量子的な性質を持ち、原子や分子の主役で、また、私たちの日常生活に欠かせない色々な電子機器の働きを担っているのが、電子である。電子はマイナスの電荷を持った軽い粒子であると同時に、量子の世界では、光と同様の波として振る舞い、磁気も持つ。電子は原子や分子で主役として振る舞うこと、私たちの身の回りの物は電子が形を作っていること、色々な日常の変化も電子が主役であることを学ぶ。また、電子の働きを私たちは目的にかなうように制御する技術を持っている。この技術は電子工学と呼ばれているが、そこでは電子がどのような役割を演じているのだろうか。真空管の中での電子の振る舞い、半導体という物体での電子の振る舞いを通じて、その制御の仕組みを学ぶ。波田野彰波田野彰

13 素粒子の世界電子を通じて、ミクロの世界の一端を見た。電子は軽いが、物の質量のほとんどを担う原子核とともに、原子や分子を作り、その性質や、私たちが目にする物質を作る際の基本的な役割を果たすことを見る。では、原子核は何で出来ているか。そして、この世界の究極の構成要素は何であり、どうやって、この世界が出来るのか。これらを突き詰めるのが素粒子の研究であり、これからの物理の大きな課題でもある。生井澤寛生井澤寛

14 光に追いつくか 20 世紀に、量子とともに現代物理を作ったもう一つの物理が、相対論である。相対論は、光の速度に近い高速で運動する物体の振る舞いを理解することから始まった。そして、古典物理の世界では互いに独立と考えられていた時間と空間が、互いに離れがたい関係にあることを示してくれた。さらに時間と空間を、統一した場の入れ物と考えると、素粒子のみならず重さのある物の間に働く重力の起源が理解できそうである。宇宙規模での世界の理解がどこまで進んだかを見ていこう。同上同上

15 環境と物理物理をはじめとする自然科学と、それをもとに生まれた技術の進歩は私たちの生活を豊かにしたが、その半面、様々な形で公害を産み出し、地球の生命圏自体を脅かすほどになっている。なぜこうなったかは、特に第５講と第６講とで学んだ事柄によって、地球規模の安定性が大きく乱されようとしていることをみる。では、この事態をどう解決するか。それはまた、自然科学や技術を生んだ物理を初めとする科学の役割でもある。物理の立場から、環境問題の解決策を探り、私たちにできる工夫を産み出すための提言をともにしていきたい。波田野彰波田野彰