01/13/2001

高校生・新入生のための理論物理


よくかんがえたら,微分方程式からやらんとあかんのよね。

ちょっとまってね。

なんかできるまでは,講義ノートのなかの自然科学概論(短大用),その他をながめてください。(このノートも,わずかづつですが補填してます。)


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微分は微分演算子の作用である。たとえば 微分演算子=d/dt

これの一番重要な性質は,Cが定数のとき (d/dt)C=dC/dt=0 となること。Cがいくつでも,0でも同じであること。

質点の位置xがtの関数で表されるとする。 これにより質点の運動が記述される。

鉛直投げ上げとか習いました?鉛直方向の座標をxのかわりにzでかくと

z(t)=z0+v0t-1/2 gt2

これは一般の解。初期条件としてz0とv0が与えられた場合ですね。

この初期条件を一般の解からとりのぞけば, 条件を含まないから,いろんな条件に対して使える「法則」 がえられます。このためには,初期条件が2つあるので d/dtを二回使う。

(d/dt)2z(t)=(d2/dt2)z(t)=-g

こうやって得られた方程式は,結局初期条件を分離したもので, 具体的解よりも一段階,より普遍的なものとみなすことができる。もちろんまだこれを法則とまでいえるかは,わからないが。

で,まだ法則は何かをみる前に,次に単純な振動をみてみよう。 一番簡単な一次元の振動は,x(t)=A sin (ωt+δ)   これのうち,初期条件で決まるのは何か?また それらをとりのぞくには?

振幅と位相は初期条件による。初期の位置と速度の2つの自由度にちゃんと対応。ωはバネの性質(つよさ)によるでしょう。 Aとδを消すには,(d/dt)sin(t)=cos(t), (d/dt)cos(t)=-sin(t)を思い出せば,

(d/dt)2x(t)=-ω2x(t)

するてーと右辺がまたちがうけど,左辺は再びtの二階微分だね。すると一般に(1次元の)「運動方程式」は

(d/dt)2x(t)=

の形に書ける様な気がしてくる。

右辺が0のときは,(もう,くわしくかかないが,) 等速直線運動がこの方程式の解。 速度が一定の状態を表す。だから,右辺が0でなければ,一般に 速度が変化するということ。右辺に物体の性質による定数mを かけたものを「力」と呼ぼう。 つまり,力の存在は,運動の変化を意味する。

振動運動の例に戻ってみる。 今度は,任意定数のうち位相だけを取り除いてみよう。 sin2(t)+cos2(t)=1 をつかう。これを使うためには,一回微分を使って,

((d/dt)x(t))22x(t)2= A2ω2

おや,こうすると位相どころか,時刻tによらないものがつくれたぞ。 時間が経過しても,不変ということだ。 もともと,時刻の原点をかえたら,位相を変えただけ(Aは不変!) で同じ解になることが解る。この性質は運動方程式から実は明らかだった。 なぜならあらわに時刻に依存するものが入ってない!

もっと具体的にしめす。さっきつくった式の左辺

((d/dt)x(t))22x(t)2

を時間で微分すると

2((d/dt)x(t))[(d/dt)2x(t)+ω2x(t)]

これは運動方程式によれば,0だ!

ということは,運動方程式からみれば,一回積分したので, 当然積分常数は,一個分でてきたということ。解から見れば, 一回微分で定数が1個減ったということ。 これが考えている系のエネルギーだ。 (とつぜんつづく)

(つづくのか?)


大学で物理を勉強したい高校生諸君!

この季節,学部,学科で分類した大学案内が多く出ています。 が,しかし,物理学科を探すだけでは,不十分。最近は大学内の改組が多いので,名前ではわからないようなとこで物理をやってるところがいっぱ〜いあります。たとえば山口大学理学部自然情報科学科。どこの案内の『物理』のとこ見ても載ってませんが,ちゃんと物理してます。というわけで,僕の大学の宣伝でした(?)


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