物理

投げたボールからモーターまで、七つのコース

ここでの物理は、目で動きを追える物から始まり、モーター内部の電流と場へと進みます。例題の解答と数値の多くはOpenStax College Physics 2eに、定数はNISTに、一部の宇宙の数値はNASAに基づいています。どのコースでも計算を省略せずに示します。各単元の最後には、まとめと解説付きのクイズがあります。

運動から力へ、力からエネルギーへ

運動から始めましょう。位置、速さ、加速度、運動のグラフ、自由落下、投射運動、空気抵抗を七つの単元で扱います。力では、運動のコースで残った問いを引き継ぎ、ニュートンの三つの法則、摩擦、重さ、振り子を学びます。続くエネルギーでは、仕事、運動エネルギーと位置エネルギー、保存則、仕事率を詳しく考えます。

残りの四つは、どの順番で学んでもかまいません。波と音では、波長と振動数、音、干渉、弦や管の定常波、電磁波のスペクトルを扱います。光では、影、鏡、屈折、レンズと目、色、そして光の速さを測るための長い試みを学びます。電気は電荷とオームの法則から、直列回路と並列回路、電気料金、安全へと進みます。磁気は磁極と磁力線から、地球の磁場、電磁石、モーター、発電機へと進みます。

自分でできるようになりたい計算

車が100 km/hで走るとき、50 km/hのときの四倍の運動エネルギーを持つ理由を説明しましょう。20 m/s、45°で投げたボールが2.9秒間空中にあり、約41 m先に落ちることを計算します。質量70 kgの人の重さが、質量は同じまま、地球では約687 N、月では113 Nになる理由も説明しましょう。長さ99.4 cmの振り子を計時すると、一往復に2秒かかります。稲妻から雷鳴までの3秒という間隔を、約1 kmの距離に換算してみましょう。

公式を動かして確かめる四つの実験室

運動の実験室では地球、月、火星でボールを投げ、振り子を揺らしてストップウォッチのように時間を測ります。エネルギーの実験室では、位置エネルギー、運動エネルギー、熱を棒グラフに表示しながらジェットコースターを走らせ、磁気のコースでは、磁石と、巻き数や電流を設定できるコイルの周囲に磁力線を描きます。回路の実験室では、スイッチを閉じ、空いた場所に電球をドラッグし、三つの電球によって1 Aのヒューズに1.5 Aが流れるとヒューズが切れる様子を観察します。波の実験室では、ロープ、ばね、管内の音、水面波の装置を描き、スネルの法則を使って水、ガラス、レンズを通る光線もたどります。

物理が覆す思い込み

空気がなければ、重い物ほど速く落ちるわけではありません。1971年に月で落とされたハンマーと羽根が、そのことを示しています。ロープを速く振っても、波の伝わる速さは増しません。その速さを決めるのはロープです。加速度が負でも、必ず減速するとは限りません。荷物を静止したまま支えると、腕がどんなに疲れても、物理でいう仕事はしていません。地理上の北極に近い磁極は、磁石としてはS極です。また、自分の身長の半分の高さの鏡があれば、どこに立っても全身が映ります。