物理ぶつり を 学まなぶ

この 章しょう で 学まなぶ こと

高校こうこう物ぶつ理り の 入いり 口くち と なる 章しょう です。 中学ちゅうがく で 学まなんだ 「速さはやさ」 「力ちから」 「エネルギー」 を、 高校こうこう で は 数すう式しき と ベクトル を 使つかって より 厳密みつ に 表あらわす よう に なり ます。 まず は その 道どう具ぐ と 考かんがえ方かた を そろえ ましょう。

• 物ぶつ理り と は どんな 学がく問もん か を 知しる
• 探究たんきゅう の 流ながれ を 高校こうこう レベル で 整せい理り する
• 有効数字ゆうこうすうじ の 扱あつかい 方かた を 身み に つける
• SI単位系SIたんいけい (国際こくさい単たん位い系) を 理り解かい する
• スカラー と ベクトル を 区く別べつ する
• 物ぶつ理り実験じっけん の 安全あんぜん の 基き本ほん を 確かく認にん する

ポイント: 中学ちゅうがく物ぶつ理り と 高校こうこう物ぶつ理り の 大おおきな 違いちが は、 「向きむき を きちんと 考かんがえる こと」 と 「誤差ごさ や 精度せいど を 意い識しき する こと」 です。 この 章しょう で 道どう具ぐ を そろえ、 第だい 2 章しょう か ら の 力学りきがく へ つなげ ましょう。

1. 物理ぶつり と は どんな 学問がくもん か

物理ぶつり の 役割やくわり

物ぶつ理り と は、 自し然ぜん の しくみ を 数すう式しき で 表あらわす 学がく問もん です。 物体ぶったい が どう 動どう く か、 エネルギー が ど う 移うつり り 変へん わ る か、 電気でんき や 光ひかり が ど う ふ る ま う か な ど を、 で き る だ け 少しょう な い 法ほう則そく で 統とう一いつ的 に 説せつ明めい し よう と し ま す。

物理ぶつり学がく の 4 大だい分野ぶんや

分ぶん野や	主おも に 扱あつかう もの	高校こうこう で の 学がく ぶ 章しょう
[[力学	りきがく]]	物体ぶったい の 運うん動どう・力ちから・エネルギー
熱[[力学	りきがく]]	熱ねつ・温度おんど・[[気体
波は動どう	[[音	おと]]・光ひかり・波なみ
[[電磁気学	でんじきがく]]	電気でんき・磁じ気き・[[電磁波

中学ちゅうがく物理ぶつり と 高校こうこう物理ぶつり の つながり

中学ちゅうがく で 学まなんだ こと	高校こうこう で 発はっ展てん する 形かたち	章しょう
力ちから (N) と 重おも さ	ベクトル と し て の 力ちから、 [[作用線	さようせん]]
[[速さ	はやさ]]	[[速度
力ちから と 運うん動どう (F = ma の 直ちょっ感かん)	[[運動方程式	うんどうほうていしき]] F = ma の 数すう式しき化か
仕し事ごと と エネルギー	力学りきがく的てきエネルギー[[保存則	ほぞんそく]] (式しき で 表ひょう す)
円えん運うん動どう (定てい性せい的てき)	[[向心力	こうしんりょく]]・[[周期

大事だいじ: 高校こうこう物ぶつ理り で は、 中学ちゅうがく で 「だ い た い こ う な る」 と 学まなんだ こ と を、 「な ぜ そ う な る か」 を 数すう式しき で 説せつ明めい で き る よう に な り ま す。

2. 探究たんきゅう の 流ながれ を 整理せいり する

探究たんきゅう の 7 ステップ (高校こうこう版ばん)

中学ちゅうがく の 「探究たんきゅう」 を ベース に、 高校こうこう で は 誤差ごさ と 再現性さいげんせい を 強つよ く 意い識しき し ま す。

ステップ	やる こと	高校こうこう物ぶつ理り で の 例れい
① ぎ問もん	観かん察さつ か ら 問もん い を 立たつ て る	重おも い 物もの ほ ど 速はや く 落 ち る か
② [[仮説	かせつ]]	予よ想そう と 根こん拠きょ
③ 計けい画かく	[[条件制御	じょうけんせいぎょ]] と 道どう具ぐ
④ [[実験	じっけん]]	[[再現性
⑤ [[分析	ぶんせき]]	グラフ・式しき化か
⑥ [[考察	こうさつ]]	[[誤差
⑦ [[結論	けつろん]]	1 文ぶん で ま と め る

仮説かせつ と 法則ほうそく の ちがい

用よう語ご	意い味み	例れい
**[[仮説	かせつ]]**	検けん証しょう前 の 予よ想そう
**[[法則	ほうそく]]**	多数たすう の [[実験
原理げんり	より 根本こんぽん的てき な 出しゅっ発ぱつ点	[[相対性
モデル	現げん象しょう を 単たん純じゅん化か し た 表ひょう現げん	[[質点

ポイント: 物ぶつ理り で は 「正ただし し い 答こたえ え」 が ひ と つ と 決けつ まって い る わ け で は な く、 「現げん時じ点てん で 最さい も 多おお く の 現げん象しょう を 説せつ明めい で き る 仮か説せつ」 が 法則ほうそく と 呼こ ば れ ま す。 法ほう則そく も 将しょう来らい書しょ き 換 わ る 可か能のう性せい が あ り ま す。

3. 有効ゆうこう数字すうじ と 誤差ごさ

有効ゆうこう数字すうじ と は

実験じっけん で 得とく た 数すう値ち は、 必 ず 誤差ごさ を 含 み ま す。 そ の 数すう値ち が ど の く ら い 信しん頼らい で き る か を 表ひょう す の が 有効数字ゆうこうすうじ で す。

| 数すう値ち | 有効数字ゆうこうすうじ | 意い味み | |---|:---:|---| | 1.23 | 3 桁けた | 1.235 〜 1.224 ま で の は ば | | 1.230 | 4 桁けた | 「最後さいご の 0 も 有ゆう意い」 と わ か る | | 0.00123 | 3 桁けた | 先せん頭とう の 0 は カウント し な い | | 1.23 × 10³ | 3 桁けた | 1230 と は 区く別べつ (1230 は 3 〜 4 桁けた あ い ま い) |

有効ゆうこう数字すうじ の 計算けいさん ルール

計けい算さん	ルール	例れい
かけ算ざん・わ り 算さん	小しょう さ い 方かた の 桁けた数すう に そ ろ え る	1.2 × 3.45 = 4.14 → 4.1 (2 桁けた)
足あし し 算さん・引 き 算さん	小数点しょうすうてん以い下か の 桁けた が 少しょう な い 方かた に そ ろ え る	1.23 + 4.5 = 5.73 → 5.7

誤差ごさ の 種類しゅるい

種しゅ類るい	原げん因いん	対たい策さく
[[偶然誤差	ぐうぜんごさ]]	測そく定てい の バラ つ き
[[系統誤差	けいとうごさ]]	道どう具ぐ の く せ・ゼロ 点てん ず れ
[[個人誤差	こじんごさ]]	読 み 取と り の く せ

大事だいじ: 物ぶつ理り の 答こたえ え は 数すう値ち + 単たん位い + 有効数字ゆうこうすうじ で 書しょ き ま す。 「3.14 m/s」 と 「3.142 m/s」 は 別べつ の 答こたえ え と み な し ま す。

4. SI 単位たんい系けい

基本きほん単位たんい 7 つ

世せ界かい共きょう通つう の 単たん位い系 を SI単位系SIたんいけい (国際こくさい単たん位い系、 Système International d'Unités) と 言げん い ま す。 7 つ の 基本単位きほんたんい が 土ど台だい で す。

| 量りょう | 単たん位い | 記号きごう | |---|---|:---:| | 長ちょう さ | メートル | m | | 質しつ量りょう | キログラム | kg | | 時じ間かん | 秒びょう | s | | 電流でんりゅう | アンペア | A | | 温度おんど | ケルビン | K | | 物質量ぶっしつりょう | モル | mol | | 光度こうど | カンデラ | cd |

よく 使つかう 組立くみたて単位たんい

基本単位きほんたんい を 組くみ み 合ごう わ せ て 作さく る 単たん位い を 組立単位くみたてたんい と 言げん い ま す。

量りょう	単たん位い	組くみ み 合ごう わ せ
[[速度	そくど]]	m/s
[[加速度	かそくど]]	m/s²
力ちから	N (ニュートン)	kg・m/s²
仕し事ごと・エネルギー	J (ジュール)	N・m
[[仕事率	しごとりつ]]	W (ワット)
[[圧力	あつりょく]]	Pa (パスカル)
[[周波数	しゅうはすう]]	Hz (ヘルツ)

接頭せっとう辞じ (10 の 何なん乗じょう か)

| 記号きごう | 名な前まえ | 大だい き さ | 例れい | |:---:|---|:---:|---| | T | テラ | 10¹² | 1 TB = 10¹² B | | G | ギガ | 10⁹ | GHz | | M | メガ | 10⁶ | MW | | k | キロ | 10³ | km、 kg | | (なし) | ─ | 1 | m、 s | | m | ミリ | 10⁻³ | mm、 mA | | μ | マイクロ | 10⁻⁶ | μm | | n | ナノ | 10⁻⁹ | nm | | p | ピコ | 10⁻¹² | ps |

ポイント: 単たん位い が 違 う ま ま 計けい算さん す る と、 答こたえ え は 絶ぜっ対たい に 合ごう い ま せ ん。 計けい算さん前まえ に 必 ず m と s に そ ろ え ま し ょ う (例れい: km/h → m/s は ÷ 3.6)。

5. スカラー と ベクトル

物理ぶつり量りょう の 2 種類しゅるい

種しゅ類るい	性せい質しつ	例れい
スカラー	大だい き さ だ け	質しつ量りょう・[[時間
ベクトル	大だい き さ + 向むこう き	[[速度

ベクトル の 表あらわし 方

ベクトル は 矢や印じるし で 表ひょう し ま す。 矢や印じるし の 長ちょう さ が 大だい き さ、 向むこう き が 方ほう向こう を 表ひょう し ま す。 文字もじ で 書しょ く と き は、 太字ふとじ (例れい: F) や 上うえ に 矢印やじるし (例れい: F →) で 区く別べつ し ま す。

ポイント: 教科書きょうかしょ に 載の る 「力ちから の 矢印やじるし図」 は、 始点してん (力りょく の は た ら く 点てん) と 長ちょう さ (大だい き さ) と 向むこう き が す べ て 意い味み を も ち ま す。 ノート に 描 く と き は、 こ の 3 つ を し っ か り 描 き ま し ょ う。

ベクトル の 合成ごうせい と 分解ぶんかい

操そう作さ	意い味み	例れい
**[[合成	ごうせい]]**	2 つ の ベクトル を 1 つ に ま と め る
**[[分解	ぶんかい]]**	1 つ の ベクトル を 2 方ほう向こう に 分ぶん け る

ベクトル の 合成ごうせい (直角ちょっかく の 場合ばあい)

直ちょっ角かく に 交 わ る 2 つ の ベクトル の 合ごう成せい は、 三平へい方ほう の 定てい理り で 求もとめ め ま す。

成せい分ぶん	大だい き さ
x 方ほう向こう: 3	─
y 方ほう向こう: 4	─
合ごう成せい の 大だい き さ	√(3² + 4²) = √25 = 5

スカラー と ベクトル の 計算けいさん の ちがい

計けい算さん	スカラー	ベクトル
5 + 3	8 (常つね に)	向むこう き が 同どう じ な ら 8、 反はん対たい な ら 2、 直ちょっ角かく な ら √34
5 × 2	10	同どう じ 向むこう き で 大だい き さ 2 倍ばい (10)

大事だいじ: 「速さはやさ 5 m/s」 と 「速度そくど東 へ 5 m/s」 は 別べつ の 量りょう で す。 高校こうこう物ぶつ理り で は 必 ず 向むこう き を 意い識しき し ま し ょ う。

6. 物理ぶつり を 学まなぶ ため の 数学すうがく道具どうぐ

高校こうこう 1 年ねん ま で に 使し う 数学すうがく

物ぶつ理り基き礎そ で 必要ひつよう な 数学すうがく は、 ほ ぼ 中ちゅう 3 〜 高こう 1 範はん囲い で 足あし り ま す。

数学すうがく	物ぶつ理り で の 用よう途と
1 次つぎ式しき・グラフ	[[等速直線運動
2 次つぎ式しき (xt = v₀t + ½at²)	[[落下運動
[[平方根	へいほうこん]]
[[三角比	さんかくひ]] (sin・cos・tan)
[[ピタゴラスの定理	ピタゴラスのていり]]
[[比例	ひれい]]・[[反比例

三角さんかく比ひ の 使つかい どころ

斜しゃ面めん や ベクトル分ぶん解かい で sin・cos を よ く 使し い ま す。 角かく度ど θ の 直角ちょっかく三角形さんかっけい で:

関かん係けい	式しき
sin θ	対たい辺へん ÷ 斜しゃ辺へん
cos θ	隣辺へん ÷ 斜しゃ辺へん
tan θ	対たい辺へん ÷ 隣辺へん

θ	sin θ	cos θ	tan θ
0°	0	1	0
30°	1/2	√3/2	1/√3
45°	√2/2	√2/2	1
60°	√3/2	1/2	√3
90°	1	0	─

ポイント: 「斜しゃ面めん の 角かく度ど θ」 が 出で て き た ら、 重力じゅうりょく の 斜しゃ面めん方向ほうこう成せい分ぶん = mg sin θ、 垂すい直ちょく方向ほうこう成せい分ぶん = mg cos θ が 定てい番ばん で す。 Ch3 で く わ し く 学がく び ま す。

7. ふりかえり と 安全あんぜん配慮はいりょ

この 章しょう の チェック リスト

• [ ]物ぶつ理り の 4 大分おおいた野や (力学りきがく・熱ねつ・波なみ・電磁気学でんじきがく) が 言げん え る
• [ ]探究たんきゅう の 7 ステップ を 説せつ明めい で き る
• 有効数字ゆうこうすうじ の 数かず え 方かた・計けい算さん ル ー ル が わ か る
• [ ]SI単位系SIたんいけい の 基き本ほん 7 単たん位い を 言げん え る
• [ ]組立単位くみたてたんい (N・J・W・Pa) を 基本単位きほんたんい で 表ひょう せ る
• スカラー と ベクトル の 違 い を 説せつ明めい で き る
• [ ]ベクトル を 矢や印じるし で 描 け る、 合成ごうせい・分解ぶんかい が で き る
• [ ]三角比さんかくひ (sin・cos・tan) の 値ね (30°・45°・60°) を 言げん え る

この 章しょう の 安全あんぜん配慮はいりょ ── 単位たんい換算かんさん と 計算けいさん の 安全あんぜん

物ぶつ理り の 「事じ故こ」 の 多おお く は、 単たん位い の 取と り 違 え か ら 起おこし き ま す。 1999 年ねん NASA の 火か星せい気き候こう探査たんさ機き は、 ヤード・ポンド と SI 単たん位い を 取と り 違 え て 失敗しっぱい し ま し た。

場ば面めん	危き険けん	対たい策さく
計けい算さん前まえ	単たん位い が km/h と m/s が 混 ざ る	必 ず m と s に そ ろ え る (km/h ÷ 3.6)
[[実験	じっけん]]中	物差さし と デジタル 機器き の [[精度
結けっ果か報告ほうこく	[[有効数字	ゆうこうすうじ]] が 多おお す ぎ る
大だい き な 数かず	0 が 多おお く て ま ち が え る	10 の べ き で 表ひょう す (1.23 × 10⁸)
小しょう さ な 数かず	小数点しょうすうてん を 取と り 違 え る	接せっ頭とう辞 (μ・n・p) を 使し う

物理ぶつり実験じっけん の 共通きょうつう安全あんぜん ル ー ル

ル ー ル	くわしく
① [[保護メガネ	ほごメガネ]]
② 進行しんこう方向ほうこう に 立たつ た な い	台だい車しゃ や 振ふ り 子こ の 軌き道どう上 を 避 け る
③ 電でん気き[[実験	じっけん]]
④ 光ひかり・レーザー	レーザー光こう は 絶ぜっ対たい に 目め を の ぞ き 込こみ ま な い
⑤ 終しゅう了りょう後ご の 整せい理り	電でん源げん OFF・薬やく品ひん分ふん別べつ・記き録ろく保ほ存ぞん

大事だいじ: 計けい算さん ミス は 単たん な る 「点てん を 失しつ う」 で す が、 実じっ験けん中ちゅう の ミス は ケガ や 火か災さい に つ な が り ま す。 数字すうじ と 同どう じ よ う に、 安全あんぜん も 「誤差ごさ ゼロ」 を め ざ し ま し ょ う。

次じの 章しょう: 第だい 2 章しょう で は い よ い よ 等加速度運動とうかそくどうんどう と 落下運動らっかうんどう に 入いり り ま す。 ガリレオ が 400 年ねん前まえ に 発見はっけん し た 「落下らっか の 法ほう則そく」 を、 こ の 章しょう で 学がく ん だ ベクトル と 有効数字ゆうこうすうじ の 道どう具ぐ で あ つ か い ま す。