学部生のための物理学

はじめに

学部レベルの物理学は、力学、熱力学、電磁気学、量子力学、相対性理論など、古典物理学と現代物理学の幅広い理解を学生に提供します。学生は、微積分を基盤とした方程式や実験データを用いて、強い分析力と数学的スキルを身につけます。実験室での作業は理論的概念を強化する重要な役割を果たし、学生は計算物理学や現実世界での応用にも積極的に取り組みます。この学習レベルは、科学、工学、研究分野でのキャリアに備えるだけでなく、大学院でのさらなる専門化にも対応できるように準備を整えます。

すべての章とトピック

1.  古典力学

• 1.1.  力学
• 1.1.1.  一次元の運動
• 1.1.2.  2次元の運動
• 1.1.3.  放物運動
• 1.1.4.  相対速度
• 1.1.5.  等速円運動
• 1.1.6.  非一様円運動
• 1.1.7.  参照フレームと変換
• 1.2.  ニュートンの運動の法則
• 1.2.1.  運動の第1法則
• 1.2.2.  運動の第二法則
• 1.2.3.  運動の第三法則
• 1.2.4.  ニュートンの法則の応用
• 1.2.5.  摩擦とその種類
• 1.2.6.  自由物体図
• 1.2.7.  拘束と疑似力
• 1.3.  仕事とエネルギー
• 1.3.1.  力によって行われた仕事
• 1.3.2.  仕事-エネルギーの定理
• 1.3.3.  運動エネルギー
• 1.3.4.  古典力学における位置エネルギー
• 1.3.5.  保存力と非保存力
• 1.3.6.  エネルギー保存
• 1.3.7.  パワーと効率
• 1.4.  速度と衝突
• 1.4.1.  線形運動量
• 1.4.2.  運動量の保存
• 1.4.3.  インパルスと衝撃力
• 1.4.4.  弾性衝突と非弾性衝突
• 1.4.5.  重心と速度
• 1.4.6.  ロケット推進
• 1.5.  回転運動
• 1.5.1.  トルクと角運動量
• 1.5.2.  慣性モーメント
• 1.5.3.  回転運動学
• 1.5.4.  回転エネルギー
• 1.5.5.  回転運動
• 1.5.6.  歳差運動とジャイロスコープ運動
• 1.6.  重力
• 1.6.1.  ニュートンの万有引力の法則
• 1.6.2.  重力ポテンシャルエネルギー
• 1.6.3.  軌道力学
• 1.6.4.  ケプラーの惑星運動の法則
• 1.6.5.  Gravitational field and potential
• 1.7.  流体力学
• 1.7.1.  圧力とパスカルの原理
• 1.7.2.  浮力とアルキメデスの原理
• 1.7.3.  流体力学とベルヌーイの原理
• 1.7.4.  粘性とポアズイユの法則
• 1.7.5.  表面張力と毛管現象
• 1.8.  振動と波
• 1.8.1.  単振動
• 1.8.2.  減衰および駆動振動
• 1.8.3.  結合振動と共通モード
• 1.8.4.  波の特性と種類
• 1.8.5.  音波とドップラー効果
• 1.8.6.  波の干渉と重ね合わせ

2.  電磁気学

• 2.1.  静電気学
• 2.1.1.  電荷とその性質
• 2.1.2.  クーロンの法則
• 2.1.3.  電場と電位
• 2.1.4.  ガウスの法則
• 2.1.5.  キャパシタンスと誘電体
• 2.1.6.  電気双極子と位置エネルギー
• 2.2.  Electric circuits
• 2.2.1.  電流と抵抗
• 2.2.2.  オームの法則
• 2.2.3.  キルヒホッフの法則
• 2.2.4.  RC回路
• 2.2.5.  交流回路とリアクタンス
• 2.2.6.  電力とエネルギー
• 2.3.  磁性
• 2.3.1.  磁場と力
• 2.3.2.  アンペールの法則
• 2.3.3.  磁気双極子モーメント
• 2.3.4.  ビオ・サバールの法則
• 2.3.5.  磁性材料とヒステリシス
• 2.4.  電磁誘導
• 2.4.1.  ファラデーの法則
• 2.4.2.  レンツの法則
• 2.4.3.  自己誘導と相互誘導
• 2.4.4.  トランスと誘導回路
• 2.5.  マクスウェルの方程式
• 2.5.1.  電気に関するガウスの法則
• 2.5.2.  磁気に関するガウスの法則
• 2.5.3.  ファラデーの電磁誘導の法則
• 2.5.4.  アンペール・マクスウェルの法則
• 2.5.5.  電磁波

3.  熱力学

• 3.1.  熱力学の法則
• 3.1.1.  熱力学のゼロ法則
• 3.1.2.  熱力学第一法則
• 3.1.3.  第2法則
• 3.1.4.  第三法則
• 3.2.  熱と仕事
• 3.2.1.  熱伝達（伝導、対流、放射）
• 3.2.2.  熱膨張
• 3.2.3.  熱機関と冷蔵庫
• 3.2.4.  カルノーサイクルと効率
• 3.3.  統計力学
• 3.3.1.  マクスウェル・ボルツマン分布
• 3.3.2.  エントロピーと確率
• 3.3.3.  分配関数
• 3.3.4.  フェルミ・ディラック統計とボース・アインシュタイン統計

4.  光学

• 4.1.  Geometrical Optics
• 4.1.1.  反射と屈折
• 4.1.2.  鏡とレンズ
• 4.1.3.  光学機器
• 4.1.4.  フェルマーの原理
• 4.2.  波動光学
• 4.2.1.  波動光学における干渉
• 4.2.2.  回折
• 4.2.3.  偏光
• 4.2.4.  Coherence and holography

5.  量子力学

• 5.1.  波動粒子二重性
• 5.1.1.  量子力学における波動-粒子二重性と黒体放射
• 5.1.2.  光電効果
• 5.1.3.  コンプトン散乱
• 5.1.4.  ド・ブロイ波長
• 5.2.  シュレディンガー方程式
• 5.2.1.  時間に依存しないシュレーディンガー方程式
• 5.2.2.  箱の中の粒子
• 5.2.3.  量子トンネル効果
• 5.2.4.  ポテンシャル井戸と障壁
• 5.3.  量子状態
• 5.3.1.  波動関数
• 5.3.2.  量子演算子
• 5.3.3.  ハイゼンベルクの不確定性原理
• 5.3.4.  角運動量とスピン

6.  相対性理論

• 6.1.  特殊相対性理論
• 6.1.1.  ローレンツ変換
• 6.1.2.  時間の膨張と長さの収縮
• 6.1.3.  相対論的エネルギーと運動量
• 6.2.  一般相対性理論
• 6.2.1.  等価原理
• 6.2.2.  シュヴァルツシルト計量
• 6.2.3.  重力波
• 6.2.4.  ブラックホールと事象の地平線

7.  固体物理学

• 7.1.  結晶構造
• 7.1.1.  ブラベー格子
• 7.1.2.  X線回折
• 7.1.3.  バンド理論
• 7.1.4.  フォノンと格子振動
• 7.2.  電気的および磁気的特性
• 7.2.1.  導体、半導体、および絶縁体
• 7.2.2.  超伝導
• 7.2.3.  Hall effect

8.  原子核物理学と素粒子物理学

• 8.1.  原子構造
• 8.1.1.  原子モデル
• 8.1.2.  核結合エネルギー
• 8.2.  放射能
• 8.2.1.  アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊
• 8.2.2.  半減期
• 8.2.3.  核分裂と核融合
• 8.3.  素粒子物理学
• 8.3.1.  標準モデル
• 8.3.2.  クォークとレプトン
• 8.3.3.  反物質
• 8.3.4.  基本的な相互作用

9.  天体物理学と宇宙論

• 9.1.  恒星の進化
• 9.1.1.  星の形成
• 9.1.2.  ブラックホールと中性子星
• 9.1.3.  白色矮星と超新星
• 9.2.  宇宙論
• 9.2.1.  ビッグバン理論
• 9.2.2.  ダークマターとダークエネルギー
• 9.2.3.  宇宙マイクロ波背景放射