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物理学の先生達が、物理を理解する一助となるため、記事を執筆しました。スーパープロフで物理学試験のためのチューターを探してみませんか?

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物理学のトリビア
01/07
物理学のトリビア 数学と科学という2つの最も恐れられている教科がひとつ屋根の下で暮らしているという理由だけで、多くの学生が物理の勉強に恐怖を抱いています。 けれども、結婚がどれもそうであるように、気楽な面もあれば難しい面もあり、結婚生活を上手くおくる秘訣として多くの人が考えているように、明るい面に焦点を当てることで、暗い面を耐え忍ぶことができます。 その精神を糧に、Superprofが物理学の素晴らしく、息を飲み、カッコよく、楽しく、きちんとしていて気の利いた事実をお教えします。多くの人にこの科学のトリビアを非常に興味深いと感じていただけることでしょう。 科学の理解の促進に、物理学および数学の先生を雇ってみてはいかがでしょうか? この記事を読み終わる頃までには、夢中になっていただければと思います! 携帯電話と物理学 今日、スマートフォンのようなハイテク機器を操作するのに、ロケット科学者であったり、天体物理学の学位を取得していたりする必要はありません。その概念と操作には物理学がかなり関わっているにもかかわらず、です。 携帯電話の画面に触れるだけで反応し、操作できることを不思議だと思ったことはありませんか? まず、ちょっとした背景についてお話します。 人間は電気的存在です。私たちの身体は、いたるところに、神経系に沿ってメッセージを伝達し、心拍を調節し、個々の細胞を保護する正と負の電荷を持っています。 これらのプラスまたはマイナスに帯電したイオンは、反対の電荷を持つものに触れたときにパチッと来ることで感じられます(特に冬に)。 静電気は、放出を待つ電荷の蓄積です。それは壁のコンセントから電子機器に流れ込む電流とは対照的です。 カーペットの上を歩くことで足の裏に生じる摩擦は、ドアノブのように反対の電荷を持つものに触れると放出される電子を蓄積します。 脳内の電気的活動はEEG(脳波計)で測定することができます。これは、不思議なことに、私たちが普段使っているスマートフォンの画面と同じ基本原理で機能します! EEGとスマートフォンの画面に表示されるものはどちらもイオン電流によるものです。 指先の電子が携帯電話の画面で同じように荷電した電子をはじくと、電気回路が開かれ、プログラムされたセンサーが携帯電話のソフトウェアでコード化された動作を実行するようになっています。 指のツメや消しゴムでスマートフォンを操作できないのはそのためです。ツメや消しゴムは適切な電荷を帯びていないのです! また手袋でタップしてお気に入り動画を再生することもできません。それがニットを通してイオンの導電を可能にする特殊な手袋だった場合はできますが。 携帯電話に関するもう一つのトリビア:携帯電話は、実はアインシュタインの特殊相対性理論を利用しています。 GPSのナビゲーションは、エネルギー、質量と速さ(時間)という要素を利用していて、その要素は最も有名な理論物理学者が作り出した洗練された公式で構成されています。 携帯電話は、最低4つの正確に調整された衛星の絶え間ない監視下にあり、正確にタイミングをとった信号パルスの間で移動した距離を測定し、既知の地図に現在位置を適用しています。 お住まいのエリアで最高の物理学・数学の先生を探してみませんか? 携帯電話の位置情報サービスをオフにしても、位置データは関係なく収集されます。 そのようなデータを収集していることが、Googleが渦中の企業になっている理由の一つです。 今見てきた用語について、物理学用語集を参照したいという人もいるかもしれません。 水についての豆知識 コップの水について触れたところで、生きる上で欠かせない水について探り、表面張力と光の屈折について発見してみましょう。 最初の質問:さわやかな甘みのあるゼリーが好きだという人はいますか? 要らないという人は、たぶん冬の寒風にさらされているからでしょうか・・・それなら、耐えられない酷暑の夏を思い出してみましょう。 ゼリーが好きな人は、スプーンでゼリーを叩いて、揺れはするけれどもへこまない様子を見つめたことがあるでしょう。 その現象は表面張力と呼ばれています。表面張力は、物体の外面が弾性膜として機能するときにできる力です。 表面張力の概念は、水が浮いているように見える浮遊とはまったくの別物です。浮遊は、物質に浮かぶ物体がその物質自体よりも浮力があることを意味しているからです。 たとえば、木材は水よりはるかに密度が低いため、浮遊することができます。けれども、川に浮かぶ木の枝が水を十分吸収すると重くなり、最終的には川底に沈みます。 ゼラチンは比較的高い表面張力を持っています。そのため、アイスクリームのように表面全体をすくうのではなく、デザートを掘るようにして食べないといけないことを意味します。 物理・数学の先生を探してみましょう。 水は凝集体でありながら、それぞれの水分子が表面張力を持つという驚くべき性質があります。 そのため、水の入ったグラスを通して見ると、ガラスを通して見た場合よりも画像の歪みが大きくなります。 それは光の速度を遅らせる水の性質と関係があります:像があなたの目に達する時までに、物の全体像がつかめなくなるのです。 光が水を通過すると、その陽子は3/4の速度でしか移動しません。 古典物理学の光速に対する考え方が間違っているという意味ではありません。光は速く進みます。ただし、真空状態の中において、です。 大型ハドロン衝突型加速器を水で満たして光線を通すと、光線の進行はずっと遅くなります。 それでは、他の水域と比べて表面張力は同じぐらいでも、地球上で最も密度が高い水域、死海について話しましょう。 死海の塩分を裸眼で見ることはできませんが、密度が非常に濃いため平均的な人間が沈むことはできないほどです! ここで問題。なぜ溺死すると一端海の底に沈んでから、再度浮上してくるのでしょう? お住まいの地域の物理学・数学の先生を見つけてみましょう。 溺死の原因は肺に水分を取り込んでしまうところにあります。それにより、身体は水分より重たくなります。身体が分解されると、ガスで満たされ、水よりも軽くなるのです・・・。 なんて不気味な話でしょうか! 最後に、水がいかにして発見を促したかについてのお話します。アルキメデスと浴槽の話はご存知ですか? アルキメデスは、王が新しい王冠を作らせるのに提供した金に、職人が銀を混ぜてごまかしていないかを探る任務を引き受けました。けれどもその内容物をテストするのに王冠を溶かすことは許されませんでした。 アルキメデスがお風呂に入りながら問題について熟考していると、水位が身体の容積に正確に比例して上昇することに気づきました。そうして、彼は問題の王冠を沈めて水位の変化を測定することで、王冠の密度を計算することができるという仮設を立てました。 ご存じかもしれませんが、金は銀よりはるかに密度の高い金属です。 彼は思いついた仮説にとても興奮していたので、お風呂に入っているのを完全に忘れてしまいました。パンツさえ履いていなかったのです!大興奮した彼は「ユーレカ!」(古代ギリシャ語で「私は分かった!」)と叫びながら通りを駆け抜けました。 アルキメデスの原理と物理学の他の重要な概念についてもっと学びましょう! ヒトについての豆知識 […]
物理学用語集
01/07
物理学用語集 学生が物理学に対して抱く恐怖を悪化させている原因の一つは専門用語です。高尚な科学者はほんの数語を語るだけで、独特な世界の言葉を語っているかのように聞こえます。 稀有な例として、スティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)博士は著書『ホーキング、宇宙を語る』で、日常用語を使って世界に対して宇宙について語りかけました。 けれども実際には、物理学の用語は重要な用語や単語グループを知っていれば実はそれほど難しくありません。 そこで、Superprofが物理学の専門用語を分かりやすく説明します! 辞書で単語を引いても、定義こそ載ってはいるものの、科学的な文脈でそれが何を意味するのかについては詳しくは書かれていません。そこで、各用語を脚色して、それが何を意味するのかについて理解できるようお伝えできればと思います。 説明する過程で追加情報を加味することで、各用語が物理学の文脈でどう使われているかが分かるようにします。 古典物理学と現代物理学 物理学は、古典物理学と現代物理学という2大柱に分類されます。それらを区別する分水嶺は非常に明快です。 1900年より前の発見は、それが何であっても一般的に古典物理学とみなされます。逆に1900年以降に確立された理論や考えは、それがたとえ古典的な理論に基づいていたとしても、それが研究や議論を未踏の領域に導いている限り、現代物理学とみなされます。 古典物理学の研究に従事し、それを学ぶことを志しているなら、次の分野に触れることでしょう。 古典力学:惑星、星、銀河など、裸眼で見える物体の研究と分析。 ニュートンの運動法則は、物体とそれに作用する力の間の相関関係について説明しています。 熱力学:エネルギーと力学的な仕事に関わる熱を扱う分野(ここでいう「仕事」は、お金を稼ぐ仕事ではありませんよ!) アインシュタインの相対性理論:特殊相対性理論と一般相対性理論 カオス理論 カオス理論の原理を把握するための最善の方法は、恐らくそれを実際の文脈の中に当てはめてみることでしょう。そのために、天気予報が恰好の題材になります。 一見すると、天気は非常にランダムのように見えます。雨が降ったかと思うと、次の日にはカラッと晴れたりします。気持ちのいい気温で過ごしたかと思うと、温度が急に下がって厚手の靴下やコートを急いで取り出さないといけない、ということもよくあります。 これらの天候の変化は予測できないように見えますが、それにはパターンがあり、複数の要因で突き動かされています。 天気は、湿気や気流の影響を受けながら、刻々と変化する動的なシステムであると捉えられます。 初期条件に敏感に反応する動的システムでは、数学を使用してその動作を経時的に分析することで、将来の動きを予測することができます。 けれども、数学者のエドワード・ローレンツ(Edward Lorenz)が言ったように、「現在は未来を決定するが、おおまかな現在から未来がおおまかに見えてくることはない」のです。 何か理解できないところがあるでしょうか?そんな時、数学や物理学の先生が力を貸してくれますよ! それが、カオス理論の定義です。 古典物理学に関連する他の面白い物理的事実を見つけてみましょう! 現代物理学についてはどうですか? 古典物理学は、理論が発見されたときの技術と知識に限界があったため、説明に深さがありませんでした。その根拠は、量子力学やアインシュタインの相対性理論(ガリレイの相対性原理とは対照的に)といった現代的な理論によってのみ証明できます。 現代物理学は本質的に極端な物事を扱います。極小粒子、物質の性質や非常に大きな局面(超長距離にあるもの、または超高速に動く物を含めて)。 「中間」と呼ばれるものは、通常古典物理学の守備範囲に含まれます。 この違いを説明するのに適した方法は、気体の態様を考えてみることです。摂氏0度で行われる研究は古典物理学のテーマになるかもしれませんが、同じガスでも絶対零度の摂氏-273.
物理学に関するすべて
01/07
物理学とは 紀元前250年頃まで遡るアルキメデスの原理から、現代の量子重力理論を証明するための学者たちの切磋琢磨に至るまで、物理の世界への関心は時代を経るにつれて膨らみました。 とは言え、ほとんどの人が物理(学)と聞くと身構えます。学生は物理を勉強するのに気が進まず、また学校は学校で優秀な物理の先生を惹きつけ、留めておくのが難しいと嘆いています。 確かに、物理学は素粒子から天文学に至るまで、その研究分野は多岐にわたっています。 覚えておいてほしいのは、他の学問と同じ様に、何も物理学全体を学ぶ必要はないということです。 物理学の基礎、計算式や概念を学ばなければならないのはもちろんですが、基礎ができたら情熱をどの分野に傾けるかを決めるのは、あなた自身です! Superprofは、物質の性質、物質の状態と平衡、そして作用・反作用の法則など、物理学の基礎を身につけるのをサポートします。 私たちの身の回りの世界の見方を一変させた歴史上の物理学者や今を時めく物理学者をご紹介できるのは、先生冥利に尽きます。 もちろん、物理学の専門用語を知らなければ、何も始まりませんが・・・。 物理学用語集 告白の時です。NHKの天文学のドキュメンタリーにテレビのチャンネルを合わせたとき、目がぐるぐる回ってしまうような感覚を覚えた人は・・・?もちろん、そのような人は一人や二人ではありません ビッグバン理論のドキュメンタリーは、他のどのテレビ番組よりも人々に物理を身近に感じてもらうきっかけになったのではないでしょうか? 科学的な側面の話は諸説紛々としていてまとまりがなく、聴いてもピンと来ない言葉でまくし立て、科学について語るのに深淵な話をしているというよりも、どのスーパーヒーローの映画がヒットするかを熱っぽく語っているかのようにああでもないこうでもないと論じているように感じられませんでしたか? 何の内容について話をしているかについて少しでも内容を理解していたら、科学者が熱っぽく語る話も、夢うつつというより、興味がそそられることもあったかもしれません。以下の用語について知っていたら、目の色も変わったかもしれません。 量子:それ自体、「物理量の最小単位」を意味します。さまざまな物理的概念と結び付けられ、最小の粒子レベルの研究に使われます。量子レベルの研究分野には、以下があります。 量子力学は、場の量子論など、微視的な物理現象を記述する力学です。 量子力学は、量子物理学、量子論、行列力学とも呼ばれています。 量子のもつれは、多体間の相関やそれに関わる現象を指しています。 量子光学は、光のふるまいを研究する分野です。より具体的には、光子を扱います。 量子トンネリング(または量子トンネル、量子トンネル現象)は、エネルギー的に通常は超えることのできない領域を粒子が一定の確率で通り抜けてしまう現象のことを指しています。 量子電磁力学(量子電気力学とも)は、特殊相対性理論と量子力学を上手く組み合わせたような研究分野です。 すべての量子論が実体を持つわけではありません。たとえば、量子重力理論は、量子力学の観点から重力を記述しようとする仮説ですが、まだ実証されていません。 ボース粒子とフェルミ粒子は、インドの理論物理学者のサティエンドラ・ナート・ボース(Satyendra Nath Bose)と、イタリアの理論物理学者で実験物理学者のエンリコ・フェルミ(Enrico Fermi)にちなんで名付けられた亜原子粒子です。 ハドロンと呼ばれる3番目のクラスは、2つ以上のクォークからなる複合粒子です。ハドロンはボース粒子とフェルミ粒子間のすき間を埋めます。 クォークは別の種類の素粒子で、クォークは標準模型において唯一、四つの基本的な力すべての影響を受ける素粒子のグループです。 基本的な力とは、電磁力、重力、強い力および弱い力です。 物理学の領域を説明する用語は他にもたくさんあります。少し掘り下げて、新たな発見をしてみるのはいかがでしょうか? 上記の説明ではちらほら学者の名前が出てきましたね。そこで、私たちの世界をより良く理解するのに貢献した、偉大な物理学者について話しましょう! 有名な物理学者 現代文化は有名人をもてはやす文化だと言われていますが、それが本当なら、有名な物理学者の名前も知っておいて損はないでしょう! 物理学はルネッサンス時代に学問分野として確立されましたが、物理的な世界の本質についての研究はそれ以前から行われていました。 ガリレオ(Galileo)は宇宙論の研究を大きく前進させましたが、最初の近代科学者の称号にふさわしいのは、16世紀のイギリスの医師・物理学者のウィリアム・ギルバート(William Gilbert)でしょう(たとえ彼の長年信じられてきたいくつかの理論は正しくないことが後年証明されてしまったとしても)。 ウィリアム・ギルバートは、しっかりとした実験の必要性を説き、議論の正統性を論証しました。 それまでは、物理学者たちは実験なき理論に自己満足し、再現性のある理論に定式化せずに机上の空論をもてあそんでいました。 ギルバートが予想や哲学的見解を避ける姿勢を見せたことで、他の科学者たちは彼の精神に追随し、科学としての物理学は飛躍的に進歩しました。 今日でも、彼の研究哲学は、物理学者から普く支持されています。 アメリカのアラン・グース(Alan Guth)は理論物理学者で、素粒子理論の研究により、ビッグバンが起こった理由に光明を差し込みました。実際、彼はインフレーション理論(宇宙は膨張しているとする理論)を開拓した第一人者です。 数理物理学の教授であるエドワード・ウィッテン(Edward Witten)は、数理物理学の分野の中でも特に、超弦理論と量子重力の研究を行っています。 イギリスのロジャー・ペンローズ(Roger Penrose)は、偉大なスティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)博士の先生です。生徒のホーキング博士が先生を凌駕したことは決してありませんでした。それどころか長く続いた共同研究を楽しみながら、その途上でウルフ賞を共同受賞することになりました。 物理学の分野は女性の研究者の数が男性の研究者よりも圧倒的に少ないにもかかわらず、女性は科学の発見と進歩に関しては男性とそん色ない功績を残してきました。 天体物理学者のジョスリン・ベル・バーネル(Jocelyn Bell Burnell)がまだ大学院生だった頃、パルサーを観察し記録した初めての人となりました。その発見により、彼女はノーベル物理学賞を受賞しました。 素粒子物理学者のファビオラ・ジャノッティ(Fabiola Gianotti)は欧州原子核研究機構(CERN)で女性としては初めて所長に就任し、ヒッグス粒子を初めて観測したATLASプロジェクトのリーダーでした。 アメリカの天体物理学者のサンドラ・フェイバー(Sandra Faber)は、銀河がどのように発展したかについて集中的に研究しました。彼女は、銀河が明るければ明るいほど、その中の星は速く移動しているはずだとする仮説を立てた最初の人でした。 […]