Physicsの授業

10 授業

• コンクリート、鉄筋コンクリート、鉄骨構造 – コンクリートは押される力(圧縮)には強いけれど、引っ張られる力(引張)には弱い材料です。引っ張られる側に鉄筋を入れると、鉄筋コンクリート(RC)になります。三角形を組み合わせた鉄骨の骨組みは軽くて、長い距離をかけ渡せます。農場では、水路の内張り、貯水槽、サイロ、橋、小屋のどれにもこの3つが使われます。
• 音響学：部屋・耳・オーディオ機器は音をどう扱うのか – 音響学は音の科学です。音がどう生まれ、部屋の中でどう伝わって反射し、私たちにどう聞こえ、どう録音されるかを調べます。部屋では、直接音とたくさんの反射音が耳に届きます。音が消えるまでの時間が残響時間で、T = 0.161 V / A（セービンの式）で表せます。やわらかい素材は音を吸収して T を短くします。音の大きさはデシベルで表し、音の高さは周波数、音色は倍音の混ざり方で決まります。マイクは音を電気信号に変え、コンピュータはそれを数字として取り込みます。MIDI が送るのは音そのものではなく、演奏の指示です。
• 空調設備のしくみ – セントラル空調では、チラーで冷たい水をつくり、空調機(AHU)が空気をきれいにして冷やし、ダクトで各部屋へ送ります。壁掛けエアコンのような個別方式は1つの部屋だけを受け持ちます。サーモスタットとバルブが冷やす量を調整し、ほどよい設定温度、断熱、インバーター、風量の調整で省エネになります。かんたんな設計式は、風量 V = Q / (rho cp deltaT)、ダクト面積 A = V / v、COP = 冷房能力 / 消費電力です。
• 交流発電機と変圧器 – 交流発電機は、磁場の中でコイルを回す装置です。コイルを貫く磁束がたえず変わるので、e = NBAω sin ωt という起電力が生まれ、最大値は NBAω です。変圧器は、1本の鉄心に巻いた2つのコイルの相互誘導を使います。Vs/Vp = Ns/Np が成り立ちます。昇圧変圧器は電圧を上げて電流を下げ、降圧変圧器はその逆です。電力はほぼ変わりません（Vp Ip ≈ Vs Is）。
• 重力加速度と、高さ・深さによる変化 – 地球の近くで自由落下する物体の加速度は g = GM/R² ≈ 9.8 m/s² です。落ちる物体の質量には関係しません。高さ h まで上がると g は小さくなり、g_h = g R²/(R + h)² となります。h が小さいときはほぼ g(1 − 2h/R) です。深さ d まで下がるときも g は小さくなり、g_d = g(1 − d/R) です。地球の中心では g = 0 です。だから g は地表で最大です。
• 電荷と電場 – 電荷には2種類あり、保存され、e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C の整数倍のとびとびの値だけをとります。2つの点電荷は F = kq₁q₂/r²（k = 9 × 10⁹ N m² C⁻²）の力で引き合ったり反発したりします。たくさんの電荷からの力や電場はベクトルとして足し合わせます（重ね合わせ）。点電荷がつくる電場は E = F/q₀ = kq/r² で、電気力線でその様子を表せます。双極子（±q が距離 2a 離れたもの）の双極子モーメントは p = q·2a で、一様な電場の中では正味の力は 0 ですが、トルク τ = pE sinθ を受けます。電束は Φ = E·A で、ガウスの法則は「閉じた面から出る電束は q_内部/ε₀」と言います。これを使うと、長い直線（λ/2πε₀r）、平面シート（σ/2ε₀）、薄い球殻（外側は kq/r²、内側は 0）の電場がすぐ求まります。
• 電磁波 – 変化する電場は電流のようにはたらき、これを変位電流といいます。変位電流は磁場をつくります。また、変化する磁場は電場をつくります。この2つはたがいに支え合い、電磁波(EM波)として真空中でも c = 3 × 10⁸ m/s の速さで進みます。E と B は進む向きに対しても、たがいに対しても直角なので、電磁波は横波です。波長で並べたものがスペクトルで、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線の順です。
• 電磁誘導 – コイルを貫く磁束が変化すると、コイルに起電力が生じます。ε = −N dΦ/dt(ファラデーの法則)。マイナス符号はレンツの法則で、誘導電流は必ず変化をじゃまする向きに流れます。磁場の中で棒を動かすと運動起電力 ε = Blv が生じます。電流が変化すると、そのコイル自身(自己誘導、L)と近くのコイル(相互誘導、M)に起電力が生じます。
• 電流・電位差・電気回路のしくみ – 電流は電荷が流れる速さで、I = Q/t と表し、単位はアンペア(A)です。電流計は回路に直列につなぎます。電位差は単位電荷を動かすための仕事で、V = W/Q と表し、単位はボルト(V)です。電圧計は部品に並列につなぎます。電荷が流れるのは、輪がつながった閉じた回路だけです。
• 農業土木のプロジェクト学習 – プロジェクト学習とは、小さな実際の仕事を最初から最後までやりながら学ぶ方法です。農場の工事では、チームがぬかるんだ道などの課題を見つけ、計画し、安全に施工し、結果を点検し、報告をして次に生かします。流れは、課題、計画、施工、点検、共有です。