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生活の物理 (大妻女子大学)

    この講義の目的は物理を身近なものに感じてもらうことです。直感的にわかりやすいものを中心にテーマを選びました。授業は三回程度で一セットになっていて、最初は動画などを見ながらイメージを持ってもらい、そこから少し掘り下げた内容を学んでいこうと思います。新しいテーマになると、また話が大きく変わりますのであきらめずに頑張って下さい。また、授業の内容は最近の研究結果を基にしています。非常に高度な内容を含んでいますが、その中でも直感的に分かりやすい部分を中心に説明していくつもりです。分らないことがあればそのつど質問してください。素朴な疑問が科学には一番大切です。最新の研究がどのようなものなのか少しでも感じてもらえるといいと思います。
授業では、物理以外に役立つことも随時混ぜていく予定です。例えば、コンピューターや英語は物理を研究するために欠かせない道具ですが、それらは他の分野でも不可欠なものです。みなさんの将来の役に立つものが勉強できればいいと思いますので、何か希望があれば教えて下さい。

質問があれば、授業の前後に聞くか、
yoshinaga@daisy.phys.s.u-tokyo.ac.jp
までメールを送ってください。授業の前には315号室にいます。

授業内容 (予定)
9月14日 授業の概要、最近の研究の紹介
9月28日 休校
10月5日 群れの運動
10月12日 力学の基礎
10月19日 群れが作るパターン
10月26日 柔らかいものの物理学 (高分子、液晶、コロイドの物理)
11月2日 エネルギーとエントロピー
11月9日 流体力学
11月16日 表面張力
11月23日 勤労感謝の日
11月30日 非線形物理学
12月7日 リズム、パターン形成、同期現象、カオス
12月14日 科学英語論文の読み方、書き方
12月21日 生命現象における物理学
12月28日 年末
1月4日 年始
1月11日 成人の日
1月18日 物理におけるコンピューターの役割 (コンピューターシミュレーション入門)
1月25日 コンピューター実習


授業の補足
第1回 (2009年9月14日)
今回は、授業内容と進め方の説明と大まかなトピックの紹介をやりました。物理というものが遠い世界のものではなく、身近にたくさん不思議なことがあることを感じてもらえればよかったと思います。
授業で使用したスライドはここに置いておきます。(クリックしてください。ファイルサイズが大きくなるので動画は省いてあります。もし、動画がもう一度見たいという人がいれば言って下さい。)

アンケートにいくつか面白い質問がありましたので、ここで少し答えたいと思います。内容は随時更新しますのでマメにチェックして下さい。もっと詳しく聞きたい場合や、他に知りたいことがあれば遠慮なく聞いて下さい。


1. 「家のインターネットでも論文は見られるか?」

残念ながらほとんどの論文は新聞のようにお金を払って購読しないと読めません。しかも、ものすごく高いので個人で買うのはかなり難しいです。そこで、図書館を利用しましょう。図書館には、本だけでなく、論文もたくさん置いてあります。また、図書館にない場合には取り寄せてくれたりもします。ただし、論文の数は膨大にあるので、どれが目的の論文なのか一つ一つ探すのはタイヘンです。そこで
Google Scholar (http://scholar.google.co.jp/)
を利用しましょう。ここで、目的のキーワードを入力すると、論文や資料のタイトルや概要を見ることができます。また、どの論文誌のどの巻号に載っているかも書いてありますので、それをもとに図書館で実物を探してくることもできます。また、論文には必ず参考文献が示してあるので、比較的興味に近い論文を見つけ出せばそこから参考文献をたどっていくこともできます。

注意点としては、ほとんどの論文は英語で書かれているということと、基本的に論文はその道の専門家が読むように書かれているので、一般人が読むには少し難しい、ということです。NatureScienceという雑誌は比較的一般向けに書かれていますし、Natureには日本語の要約も載っています。また、論文には総説(英語ではreview article)と呼ばれる、あるトピックを広く解説したものもあります。まず最初は興味がある内容の総説を探すのも一つの手だと思います。他にも、大きな本屋さんに行くと、わりとたくさん科学に関する一般向け図書(日本語も英語も)が売ってますのでその辺を探してみるのもいいでしょう。(池袋のジュンク堂はけっこう充実してます。)

2. 「実際に実験を見てみたい。やってみたい。シミュレーションしてみたい。」

意外とこういう意見が多くて感心しました。やはり、実際見てみる、手を動かしてみるというのは大事なので、そういう授業も現在計画中です。コンピューターシミュレーションについては、451(情報処理教室)を使った講義も考えています。ただ一方的に話を聞くだけではない、普通の授業と少し違った双方向の授業を目指していきたいので、みなさん積極的に意見を出して下さい。

3. 「なぜ表面張力は小さいと効くのか」

これはとてもいい疑問です。今度授業でもやりますが、一応先取りして説明しておきます。

表面張力は読んで字の如く”表面”があることによって生じます。球を考えると、体積が4/3pR3(Rは球の半径、pは円周率)であるのに対して、表面積は4pR2になります。この比をとると、[表面積]/[体積]は3/Rになり半径が小さくなればなるほど体積に対する表面積の大きさが大きくなることが分かります。したがって、表面張力は小さいものの方が効果が大きいのです。


第2回 (2009年10月5日)
今回は、群れの運動の紹介と力学の基礎を勉強しました。微分、積分は高校生の時に習ったと思いますが、それがなぜ必要なのかはあまり教えられなかったかもしれません。位置、速度、加速度は微分と積分によってつながっていることが、簡単な例を見てみると分かったと思います。授業で使用したスライドはここに置いておきます。復習のためにいくつかの例を練習してみて下さい。宿題はここに置いてあります。来週は、復習を少しやった後に本格的に物体の運動について勉強しようと思います。突然難しくなったと思うかも知れませんが、今回やったことを思い出せば、実は本質的には簡単なことをやっていることが分かるでしょう。

補足
八景島シーパラダイスのいわしの群れはオススメです。
http://www.seaparadise.co.jp/news/001107.php

群れの運動のシミュレーションについては以下のサイトが面白いです。(すべて英語)
EU FP6 project Starling in flight: S T A R F L A G (http://angel.elte.hu/starling/Demos.html)
A Panic: Quantitative Analysis (http://angel.elte.hu/~panic)

第3回 (2009年10月12日)
今回は微分・積分の具体的な計算方法と、微分を利用して位置から速度、速度から加速度を求める方法、また積分を使ったその逆の操作を勉強しました。前回と比べると少し難しく感じるかもしれないですが、その時は前回やったような簡単な例に戻って考えるといいと思います。授業で使用したスライドはここに置いておきます
宿題はここに置いてあります。

第4回 (2009年10月19日)
今回は微分方程式の解き方の勉強をしました。たいぶ難しかったようですが…、押さえておいて欲しいのは、例えば各時間での位置を運動方程式から求めたい時には、とりあえず位置をx(t)という風に置いといて、運動方程式を立ててそれを満たすようなx(t)を探せばよいということです。授業で使用したスライドはここに置いておきます

記号がいっぱい出てきて混乱してしまったかもしれませんが、ノートをとるコツとしては、全部移すのではなく、記号の意味とか口頭で言ったことを軽くメモするのがいいと思います。授業のスライドはこのページに載せてますので、あとでノートを見ながら復習してみてください。あと、記号が分からなくなったその場で聞いてくれると僕としてもとてもありがたいです。言い忘れてるかもしれないので…。

最後の、運動方程式を逐次的に解く方法は、最後の方で勉強するコンピューターの授業のときに出てきますので少し復習しておくと理解しやすくなると思います。位置と速度の初期値が分かっていたとすると、位置を使って力を計算→次の時間の速度が分かる→それを使って次の時間の位置を計算→それを使って力を計算→次の速度→次の位置→…、と繰り返せば任意の時間の位置と速度が計算できるというわけです。

今回はかなり難しかったと思いますが、来週からはだいぶ内容は変わってもっと直観的な話になりますので、気分を改めて頑張ってください。

第5回 (2009年10月26日)
今回は”やわらかいものの物理学”の導入ということで、身近にあるものを使った不思議な現象の動画をいくつか見てもらいました。例えば、オムツは皆さん知っていると思いますが、その中に入っているゲルを実際に見てみたことはたぶんないと思います。色々なものを注意深く観察して、不思議だと思う現象を探してみてください。 授業で使用したスライドはここに置いておきます

第6回 (2009年 11月 2日)
今回は、エネルギーとエントロピー、そして相転移について勉強しました。エネルギーというのはよく使う言葉だと思いますが、実際にどういうものかはあまり考えてこなかったと思います。また、エントロピーという聞きなれないものが出てきましたが、状態の安定性を決める重要な役割をしますのでよく復習しておいて下さい。授業で使用したスライドはここに置いておきます

水、氷、水蒸気はすべて同じ水分子からできていますが、その性質は全く異なります。これらの状態間の変化、つまり相転移を今回勉強しましたが、これは水に限ったことではありません。他にも同じように状態が変化するものは身の回りにたくさんありますので注意して探してみてください。(例えばドライアイスとか)

第7回 (2009年 11月 9日)
流体は身の回りのいたるところに存在します。ただ、残念なことに、流体をどのように科学的に考えるかが授業ででてくることはあまりないと思います。流体力学は非常に重要な分野ですが、少し独特なのでなかなか理解しにくいかもしれません。できるだけイメージを大事にしながらこれから何回か扱っていきますので分からないことがあれば何でも聞いて下さい。授業で使用したスライドはここに置いておきます

第8回 (2009年 11月 16日)
表面張力は、言葉は聞いたことがあるかもしれませんが、その意味や実体がよく知られていないものではないかと思います。コップの容積よりも少し多めに水を入れても、表面が盛り上がって水がこぼれない理由として、表面張力のせいだと言われますが、では表面張力とは何なのかを説明できる人は少ないと思います。表面張力には、表面積を減らそうとする、球になろうとする、重力に逆らって水を上に引き上げようとする、固体表面の上の液滴の接触角を決める、など様々な顔を持っています。これらがどのようにつながっているのかを次回も含めて勉強していきましょう。授業で使用したスライドはここに置いてます

第9回 (2009年11 月30 日)
今回は、表面張力について少し掘り下げて勉強しました。表面があることによる損を表面エネルギーで表し、それと表面張力との関係を見てみました。さらに、表面張力によって(正確にはその勾配)駆動される運動もいくつか紹介しましたが、大事なことは、表面張力勾配があると外から力を加えなくても物を動かすことができるということです。授業で使用したスライドはここに置いてます

第10回 (2009年 12月 7日)

今回は、非線形物理について紹介しました。実は身近な現象の多くは力学のところで勉強したような”線形”ではなく、非線形効果が重要な役割を果たします。自発的に形成するパターンや安定なリズムがどういうものなのか少しずつ触れていきたいと思います。また、ペットボトルを使った簡単な実験で非線形振動子を体験できることを見てみました。この実験については
http://physics.s.chiba-u.ac.jp/tatsu/hirameki/exp-PET.html
http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/58802/1/1522-13.pdf
これらのサイトを参考にしてみるとよいと思います。
授業で使用したスライドはここに置いてます

次の授業では英語の資料を少し見てもらおうと思うので、英語の辞書や電子辞書を持っている人は持ってきてください。

第11回 (2009年12 月14 日)
今回は、レポートの書き方について説明した後に一人一人レポート内容についてのコメントをしていきました。レポートの書き方についてはここを見て下さい。一人一人コメントしていくのはやはり時間がかかるのですが、やはり冬休み前に全員終わらせたいので、もし授業前や授業後でもいいという人がいてくれると助かります。それでもいいという人は連絡してください。

第12回 (2009年12 月21 日)
残念ながら全員にコメントすることができなかったですが、いずれにしても、ほとんどの人に共通して言えることは、目的や動機、観察対象の詳細、観察結果、考察、まとめをしっかり分けて書くようにするといいということです。自分が書いている内容をほとんど知らない人(例えば友達)に読んでもらっても分かるような内容にするのが重要です。特に観察対象の詳細については、他の人が同じことを再現できるように書くのが理想的です。このページの下の方にあるコメントも参照してください。パスワードが分からない人はメールで聞いて下さい。内容についてももし分からないことがあれば必ず聞くようにして下さい。

第13回 (2009年 1月 18日)
今回は物理におけるコンピューターの役割について紹介しました。いくつかコンピューターを使用した研究の例を示した後、コンピューターシミュレーションについて少し説明しました。みなさんコンピューターを使うことは多いと思いますが、プログラムを実際に書いたりすることはあまりないかもしれません。最初の敷居は少し高いですが、少しでも理解していると色々と便利なので機会があるときに勉強しておくことをお勧めします。
授業で使用したスライドはここに置いてます

来週は実際にコンピューターを使った実習を行います。451の情報実習室に集まってください。

あと、来週までにレポートを見てほしい人はメールに添付して送ってくれればそれでもいいです。締切は1月25日です。

第14回 (2009年1 月 25日)
今回はコンピューターを実際に使用してシミュレーションを体験してみました。プログラムを作成し、コンパイルして実行するという作業は少し独特なものなのでどんなものなのか感じてもらえればよいです。

レポートお疲れ様でした。再試験になった人は、下のコメントのところから自分の学籍番号をクリックしてPDFファイルをダウンロードし、その指示に従って修正して必ず再提出するようにして下さい。再提出の方法は、掲示の指示に従うかメールで直接ファイルを送ってもらってもかまいません。分らないことがあったら聞いて下さい。

授業の資料
第1回 授業で使用したスライド
第2回 授業で使用したスライド
           宿題のプリント
           おまけ
第3回 授業で使用したスライド
           宿題のプリント
第4回 授業で使用したスライド
第5回 授業で使用したスライド
第6回 授業で使用したスライド
第7回 授業で使用したスライド
第8回 授業で使用したスライド
第9回 授業で使用したスライド
第10回 授業で使用したスライド
第11回 授業で使用したスライド
第13回 授業で使用したスライド

上記の授業の資料(PDFファイル)を見るためにはAdobe Acrobatが必要です。もし見れない時にはここをクリックして、画面の指示に従って最新のバージョンのソフトをインストールしてみて下さい。
Adobe Acrobatがうまくいかなくてパソコンに新しいソフトがインストールできない場合、PDF-XCHANGE VIEWERというソフトを試してみてください。
http://www.docu-track.com/downloads/users/
の「PDF-XChange Viewer - Portable」 をダウンロードして解凍して使ってみて下さい。

 

 レポートについて
課題: 授業で学んだことを参考にして、身近にある不思議な現象や自分の興味があることを観察しその規則性について考察して下さい。

例: 人間、動物、虫の群れの運動 、流体の運動、 やわらかいもの、 パターン リズム現象 など

締め切り(二回提出)
第一回:12月7日  授業の時に提出して下さい
第二回:1月25日
締め切り前に出してもいいです。

注意点:
・ 合っている合っていないということより、どれだけ考えようとした跡があるか、レポートとしての体裁が整っているか、を重視します。

・ 一回目と二回目は基本的に同じ課題です。一回目は、どういうことに興味があるのかを中心に書いてみてください。一つのことだけではなく色々書いてみてもいいと思います。一回目はレポートの体裁はそこまで気にしなくていいです。一回目の後に内容や書き方についてアドバイスするので、それを参考にして二回目を完成させて下さい。

・ 最低限のこととして、パソコンを使って書いて下さい。図は手書きでもかまわないので、写真などとともにレポートに添付して下さい。

・提出するのは"最低"二回ということにしますので、内容についてアドバイスが必要だったり、評価が不安であれば何回持って来てもらってもかまいません。そのつどに適切にコメントしますので、ちゃんと直して最終的にいいレポートになればそれはきちんと評価します。

レポートに対するコメント
レポートに対するコメントを書いたファイルを置いておきます。それぞれの学籍番号のところをクリックしてダウンロードして下さい。他の人に見れないようにパスワードをかけています。パスワードは授業の時に各人に渡します。あと、参考になると思われる本をトピックに分けていくつか紹介しておきます。図書館で探してみて、もしなかったら教えて下さい。

注意点
(1) コメントは随時追加します。レポートについて考えるときは、そのたびに最新のコメントを参照してください。
(2) レポートはコピーをとっておくようにして下さい。

参考書など
(1) 表面張力の物理学 第2版―しずく、あわ、みずたま、さざなみの世界 (物理学叢書 104) P. G. de Gennes
  柔らかいものについて勉強するのによい本です。あわやシャボン玉のことについても書いてあります。

(2) 泡の物理 D. Weaire and S. Hutzler (北園幸一、佐藤英一、大塚正久 訳) 内田老鶴圃
  あわ、シャボン玉、パンケーキなどにはこの本が参考になると思います。

(3) Iain Couzin教授のホームページ
  動物や人間の群れの運動について精力的に研究しているグループです。
  以下の論文にはリーダーがある時の群れの運動について書いてあります。 (英語ですが)
  上のリンク先のページのリストの論文の所にPDFファイルのリンクがあって、誰でも見れるようになってます。
Dyer, J. R. G., Johansson, A., Helbing, D., Couzin, I. D., & Krause, J. (2009). Leadership, consensus decision making and collective behaviour in humans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1518), 781-789.

Couzin, I. D., Krause, J., Franks, N. R., & Levin, S. A. (2005). Effective leadership and decision-making in animal groups on the move. Nature, 433(7025), 513-516.

籍番号
大被1A
111009119
111009130
111009144
111009146

大被1B
111009201
111009206
111009214
111009216
111009225

大管1
112209102
112209112
112209117
112209132
112209141
112209143
112209144
112209151

大児教1
113209116
113209119
113209120
113209128

大ライ1A
114009132
114009155

大ライ1B
114009202
114009204
114009213
114009259

大日1A
121009106
121009115
121009135
121009149
121009166

大英1B
122009218
122009223
122009231

大コミ1B
123009215
123009234

大コミ2B
123008201

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