2020年 理工学部 シラバス - 物理学科
設置情報
| 科目名 | 物理実験学 | ||
|---|---|---|---|
| 設置学科 | 物理学科 | 学年 | 2年 |
| 担当者 | 高橋 努 | 履修期 | 前期 |
| 単位 | 2 | 曜日時限 | 水曜1 |
| 校舎 | 駿河台 | 時間割CD | M31M |
| クラス | |||
| 履修系統図 | 履修系統図の確認 | ||
概要
| 学修到達目標 | 計測や実験機器に関する基礎的知識や実験データを取り扱う方法について学び，物理実験を通して物理現象を定量的に把握できる力を養う。必修科目である物理学実験Ⅰ ,Ⅱの実験における実験報告書を作成できるようになる。 |
|---|---|
| 授業形態及び 授業方法 |
各回ともテーマに関連した物理現象や実験の実例を紹介し，それら数値的に取り扱う方法について解説する。毎回、授業資料を配布する。小テストにより習熟度を確認する。各回の演習問題によって応用力を養う。これらを通して修得した力を物理学実験Ⅰ，Ⅱの報告書作成において実践する。 |
| 履修条件 | 基礎物理学実験，物理数学Ⅰ，Ⅱに関する基礎知識を習得していることが望ましい。 |
授業計画
| 第1回 | 物理実験学で何を学ぶか！ （１）基礎物理学実験で何を学んだか （２）物理数学Ⅰで学んだことをどのように使うか （３）目盛りの読み方 （４）誤差を含めて物理量を表す（実験データ（測定値）の表し方） （５）グラフを使って実験データの図示 誤差の取り扱い （１）測定値の表し方 （２）相対誤差と絶対誤差 （３）測定値の四則演算の方法 （４）計測実験についての平方根則 キーワード：有効数字，主尺と副尺，平均値，平均二乗偏差，根平均二乗誤差誤差，SI単位, 非SI単位，グラフのスケール、最良推定値，絶対誤差，相対誤差，系統誤差，偶然誤差 事前学習（予習：基礎物理学実験のテキスト・資料を基にキーワードについて調べる。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布資料を基に復習する。１２０分） |
|---|---|
| 第2回 | 前回の復習課題の解説 誤差の伝播と誤差の分布 （１）誤差の伝播 （２）平均値，標準偏差， （３）系統誤差と偶然誤差 （４）ヒストグラムと分布、その極限分布 （５）正規分布 キーワード：誤差伝播の法則、平均値，母集団標準偏差，標本標準偏差，正規分布，中心極限定理 事前学習（予習：キーワードについて調べる。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布資料を基に復習する。１２０分） |
| 第3回 | 前回の復習課題の解説 誤差の分布と最確値 （１）正規分布する測定値の誤差伝播，平均値の標準偏差 （２）二項分布，ポアソン分布，確率分布 （３）確率分布に関するさまざまな特性値 （４）測定値の受容可能性 キーワード：確率分布，確率質量関数，確率密度関数，期待値，平均，分散，モーメント，中心モーメント，二項分布，ポアソン分布，累積分布関数，対数正規分布，ローレンツ分布， 事前学習（予習：キーワードについて調べる。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布資料を基に復習する。１２０分） |
| 第4回 | 前回の復習課題の解説 関数によるデータのフィッティング（最小二乗法／実験式） （１）χ２乗検定 （２）線形回帰 （３）最小２乗法 キーワード：最小二乗法，χ２乗検定，データの棄却 事前学習（予習：キーワードについて調べる。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布資料を基に復習する。１２０分） |
| 第5回 | 授業内確認テスト第１回目（第１回から第４回）および授業内確認テストの試験の解説 事前学習（第１回から第４回までの復習を授業配布資料を基に行う。１８０分） 事後学習（確認テストの解説、授業配布資料を基にテスト内容の理解を深める。６０分） |
| 第6回 | 第４回の復習課題の解説 A/D変換 （１）アナログーデジタル変換 （２）ナイキストのサンプリング定理 （３）量子化誤差、分解能とビット数 （４）２進数の演算と有効数字 （４）コンピュータによるデータ処理 （５）インターフェース キーワード；アナログ信号，デジタル信号，２進数の演算，分解能，量子化誤差，GPIB, USB，分解能，ビット数，量子化誤差，ナイキストのサンプリング定理，A/D変換器 事前学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）31コンピュータによる物理計測を参考にする。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめまとめながら、授業配布資料、専門課程物理学実験（改訂版）31コンピュータによる物理計測を参考に復習する。１２０分） |
| 第7回 | 前回の復習課題の解説 物理実験のための電気回路（信号の伝送とアナログ回路） （１）実験で扱う電気回路・電子回路素子 （２）直流と交流 （３）オームの法則とキルヒホッフの法則 （４）集中定数回路と分布定数回路 （５）過渡特性と周波数特性 （６）微分回路と積分回路 キーワード：オームの法則、キルヒホッフの法則、集中乗数回路、分布乗数回路、過渡特性、周波数特性，微分・積分回路 事前学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）12インピーダンスと伝搬特性、14LCR回路の過渡特性と周波数特性を参考にする。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）12インピーダンスと伝搬特性、14LCR回路の過渡特性と周波数特性を基に復習する。１２０分） |
| 第8回 | 前回の復習課題の解説 インピーダンスと伝送線路、ノイズと計測 （１）電気抵抗，静電容量，インダクタンス， （２）インピーダンス （３）分布定数回路（線路）の取り扱い （４）雑音 （５）ノーマルモードとコモンモード （６）雑音の分離法 （７）演算による雑音除去 キーワード：電気抵抗、静電容量，インダクタンス、インピーダンス、不規則雑音，ノーマルモード，コモンモード 事後学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）12インピーダンスと伝搬特性、14LCR回路の過渡特性と周波数特性を参考にする。１２０分） 復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）12インピーダンスと伝搬特性、14LCR回路の過渡特性と周波数特性を基に復習する。１２０分） |
| 第9回 | 授業内確認試験第二回目（第４回から第８回）および授業内確認テストの試験の解説 事前学習（第６回から第８回までの復習を授業配布資料を基に行う。１８０分） 事後学習（確認テストの解説、授業配布資料を基にテスト内容の理解を深める。６０分） |
| 第10回 | 第８回の復習課題の解説 真空技術 （１）真空 （２）真空を作る （３）真空を計る （４）真空を扱う基礎的な心構え キーワード：真空の単位、真空計、真空ポンプ、真空もれ、真空排気速度、コンダクタンス 事前学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）10真空排気系のコンダクタンスを参考にする。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）10真空排気系のコンダクタンスを参考に復習する。１２０分） |
| 第11回 | 第10回の復習課題の解説 光学計測の基本技術 （１）光の性質（波動性と粒子性） （２）スペクトル線と連続光 （３）偏光，回折，干渉 （４）レーザー光 （５）光学素子 （６）光検出器 （７）分光器，干渉計 キーワード：波動性と粒子性、原子のエネルギー準位、偏光、回折、干渉、レンズ、ミラー、フォトダイオード、プリズム、回折格子、光電管、光電子増倍管、分光器、干渉計 事前学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）17レーザー光の偏光と回折、18光ファイバーの伝送特性、20ファラデー効果、21マイケルソン干渉計，22線スペクトルとリュードベリ定数，29The Photelectric effectを参考にする。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら，授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）17レーザー光の偏光と回折、18光ファイバーの伝送特性、20ファラデー効果、21マイケルソン干渉計，22線スペクトルとリュードベリ定数，29The Photelectric effectを参考に復習する。１２０分） |
| 第12回 | 第１１回 磁場計測／温度計測 （１）磁場を作る（定常磁場、時間変化する磁場） （２）磁場を計る（定常磁場、時間変化する磁場） （３）温度 （４）低温、高温を作る （５）低温、高温を計る キーワード：温度、比熱、熱伝導率、熱電対、ゼーベック効果、スターリングサイクル、ヒートポンプ、カルノーサイクル、寒剤、相転移，黒体放射 事前学習（予習：キーワードについて調べる。専門課程物理学実験（改訂版）2熱伝導率、3スターリングサイクル，4個体・液体の相転移、8黒体放射、9熱の伝播を参考にする。１２０分） 事後学習（復習：授業に課する演習問題をレポートにまとめながら授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）2熱伝導率、3スターリングサイクル，4個体・液体の相転移、8黒体放射、9熱の伝播を参考に復習する。１２０分） |
| 第13回 | 放射線と粒子の測定 （１）放射線（α線，β線，γ線）と単位 （２）原子核の崩壊 （３）原子核融合と分裂 （４）放射線計測 （５）計測技術（分解時間と数え落としの補正，バックグランドの補正，計数の誤差） （６）放射線防御の基礎 キーワード：放射線（α線，β線，γ線）、放射線の単位、半減期、放射性物質の崩壊、GMカウンター、プラトー、立体角、ポアソン分布、平均値、偏差、数え落とし補正、 事前学習（予習：キーワードについて調べる。授業配布物、専門課程物理学実験（改訂版）28放射性物質の崩壊、30Interactions of Alphas and Gammas with Matterを参考にする。１２０分） 事後学習 |
| 第14回 | 授業内確認試験第三回目（第１０回から第１３回）とその解説 事前学習（第10回から第13回までの復習を授業配布資料、専門課程物理学実験（改訂版）の関連実験を基に行う。１８０分） 事後学習（確認テストの解説、授業配布資料、専門課程物理学実験（改訂版）の関連実験を基にテスト内容の理解を深める。６０分） |
| 第15回 | 物理実験のための物理数学 （１）近似計算（テーラー展開） （２）複素数，ベクトル、行列 （３）微分方程式、偏微分方程式 （４）フーリエ変換、ラプラス変換 物理実験における安全 （１）物理実験における安全マニュアル （２）心得，服装，作業環境 （３）実験装置、器具の扱い （４）電気に関する実験における安全について （５）光学実験における安全について （６）放射線実験における安全について （７）高圧ガス、不活性ガス、低温ガスの扱い キーワード：テーラー展開、複素数、ベクトル、行列、微分方程式、偏微分方程式、フーリエ変換、ラプラス変換 事前学習：物理数学Ⅰ、Ⅱの講義資料によりキーワードについて調べる。１２０分 事後学習：授業で配布する「安全マニアルの例を基に、実験の安全について考える。１２０分 |
その他
| 教科書 |
教科書は特に指定しません。
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| 参考書 |
John R. Taylor 『計測における誤差解析入門』 東京化学同人 2000年
高野良紀、植松英穂、浅井朋彦、B.Zulkovskey 編 『専門課程 物理学実験』 裳華房 2012年 第第一版版
兵藤申一 『物理実験者のための13章』 物理工学実験１ 東京大学出版会 1976年
鈴木秀次 『実験物理 上・下』 バークレー物理学コース 丸善 2011年 第復刻版版
小坂学、岡田志摩 共著 『高校数学でマスターする計測工学 基礎から応用まで』 株式会社コロナ社 ２０１６年 第初版版
馬杉正男 『信号解析 信号処理とデータ解析の基礎』 森北出版株式会社 ２０１３年 第初版版
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| 成績評価の方法 及び基準 |
授業内に行なう小テスト（２0%），レポート(20%)，および授業内試験（４０%）期末試験（２０%）の結果によって評価する。定期試験の範囲は、第1,2,3,4,6,7,8,10,11,12,13,15回の内容について簡単な復習テストを行う。 |
| 質問への対応 | メールまたは居室にて随時対応します。 |
| 研究室又は 連絡先 |
駿河台校舎７号館７２１室Ａ takahashi.tsutomu@nihon-u.ac.jp |
| オフィスアワー |
水曜 駿河台 12:10 ～ 13:00 髙橋
金曜 駿河台 12:00 ～ 13:00 高橋
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| 学生への メッセージ |
この科目で修得した力を実践する場として，物理学実験Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，物理学プロジェクト実験をこの科目合わせて受講することが望ましい。内容をさらに深めるために，２年生前期で開講される回路理論，３年生前期で開講されている電子回路，制御理論，３年生後期に開講されている計測物理学を受講するすると内容をさらに深めることができる。 授業時間を大切にする。レポート課題で授業の復習をする。物理学実験のレポート作成で実践し理解度を確かめる。 |