目
次
〈Ⅰ．基礎編〉
第1章
物理の考え方：物理基礎 ………………………………………………………………1
1. 1 物理とは …………………………………………………………………………………………1
1. 2 物理量と単位系 …………………………………………………………………………………1
1. 3
有効数字と標準偏差 ……………………………………………………………………………3
1. 4 基本単位の定義 …………………………………………………………………………………4
1. 5
物理量の次元 ……………………………………………………………………………………6
演習問題 ………………………………………………………………………………………………7
〈Ⅱ．力学編〉
第2章
速度と加速度：運動論 12 ……………………………………………………………9
2. 1 運動と距離，変位 ………………………………………………………………………………9
2. 2 平均の速さ ……………………………………………………………………………………10
2. 3
速度（瞬間速度）………………………………………………………………………………10
2. 4 加速度 …………………………………………………………………………………………11
2. 5
導関数（微分係数）……………………………………………………………………………12
演習問題 ………………………………………………………………………………………………13
第3章
直線運動と平面運動：運動論 22 ……………………………………………………15
3. 1 等速直線運動 …………………………………………………………………………………15
3. 2 等加速度直線運動 ……………………………………………………………………………16
3. 3
積分 ……………………………………………………………………………………………17
3. 4 平面運動 ………………………………………………………………………………………18
3. 5
放物運動 ………………………………………………………………………………………19
演習問題 ………………………………………………………………………………………………22
第4章
運動の法則：力学 14 …………………………………………………………………25
4. 1 ニュートンの運動論への進展 ………………………………………………………………25
4. 2 慣性の法則 ……………………………………………………………………………………25
4. 3
運動の法則 ……………………………………………………………………………………26
4. 4 作用・反作用の法則 …………………………………………………………………………27
4. 5
万有引力の法則 ………………………………………………………………………………27
演習問題 ………………………………………………………………………………………………29
vi 目
次
第5章
力と運動量：力学 24 …………………………………………………………………32
5. 1
力の定義と質量 ………………………………………………………………………………32
5. 2
4 つの基本力 ……………………………………………………………………………………33
5. 3
様々な力 ………………………………………………………………………………………35
5. 4
運動量と力積 …………………………………………………………………………………37
5. 5
運動量保存の法則と衝突 ……………………………………………………………………38
演習問題 ………………………………………………………………………………………………41
第6章
仕事とエネルギー：力学 34 …………………………………………………………43
6. 1
仕事と仕事率 …………………………………………………………………………………43
6. 2 運動エネルギーと位置エネルギー …………………………………………………………44
6. 3
力学的エネルギー保存の法則 ………………………………………………………………45
6. 4
仕事と運動エネルギー ………………………………………………………………………46
6. 5
熱と仕事（エネルギー保存の法則）…………………………………………………………46
演習問題 ………………………………………………………………………………………………49
第7章
円運動と単振動：力学 44 ……………………………………………………………51
7. 1
等速円運動の速度 ……………………………………………………………………………51
7. 2 等速円運動の加速度，向心力 ………………………………………………………………52
7. 3
角運動量保存の法則 …………………………………………………………………………54
7. 4
フックの法則と単振動 ………………………………………………………………………55
7. 5
単振り子 ………………………………………………………………………………………56
演習問題 ………………………………………………………………………………………………57
第8章
剛体と流体：剛体力学と流体力学 …………………………………………………59
8. 1
剛体と質量中心 ………………………………………………………………………………59
8. 2 角運動量と力のモーメント …………………………………………………………………60
8. 3
剛体の力のつり合い …………………………………………………………………………63
8. 4
剛体の回転運動 ………………………………………………………………………………64
8. 5
流体と圧力 ……………………………………………………………………………………65
演習問題 ………………………………………………………………………………………………68
〈Ⅲ．様々なエネルギー編〉
第9章
熱力学 …………………………………………………………………………………69
9. 1
温度と熱平衡 …………………………………………………………………………………69
9. 2 理想気体の状態方程式 ………………………………………………………………………71
9. 3
エネルギー保存の法則 ………………………………………………………………………72
9. 4
エントロピー増大の法則 ……………………………………………………………………73
9. 5
熱機関のサイクル ……………………………………………………………………………74
目
演習問題
第 10 章
次
……………………………………………………………………………………………77
振動・波動 ……………………………………………………………………………78
10. 1 波の基本特性 …………………………………………………………………………………78
10. 2 波の伝播の原理と反射・屈折の法則 ………………………………………………………80
10. 3
音と超音波 ……………………………………………………………………………………82
10. 4 光とレーザー …………………………………………………………………………………84
10. 5 ドップラー効果 ………………………………………………………………………………85
演習問題 ………………………………………………………………………………………………87
第 11 章
電磁気 …………………………………………………………………………………89
11. 1 静電力と電荷保存の法則 ……………………………………………………………………89
11. 2 クーロンの法則と電気力線 …………………………………………………………………90
11. 3
電流と電気回路の法則 ………………………………………………………………………91
11. 4 磁石と電流の作る磁場 ………………………………………………………………………94
11. 5 電磁誘導と電磁エネルギー …………………………………………………………………96
演習問題 ………………………………………………………………………………………………99
第 12 章
原子物理 ……………………………………………………………………………101
12. 1 原子の構造 …………………………………………………………………………………101
12. 2 原子核の構成と原子番号 …………………………………………………………………101
12. 3
核エネルギー ………………………………………………………………………………102
12. 4 原子核の崩壊 ………………………………………………………………………………106
12. 5 放射線 ………………………………………………………………………………………107
演習問題 ……………………………………………………………………………………………110
〈Ⅳ．特別編〉
第 13 章
生物物理と医学物理 ………………………………………………………………112
13. 1 生命の起源と進化 …………………………………………………………………………112
13. 2 生命体の構成と細胞 ………………………………………………………………………113
13. 3
生体の物理 …………………………………………………………………………………114
13. 4 医療診断 ……………………………………………………………………………………116
13. 5 治療 …………………………………………………………………………………………118
演習問題 ……………………………………………………………………………………………120
第 14 章
素粒子物理と宇宙物理 ……………………………………………………………122
14. 1 物質，時間，空間の概念の進展 …………………………………………………………122
14. 2 物質の階層構造と 4 つの力の統一の発展 ………………………………………………124
14. 3
宇宙の生成と膨張 …………………………………………………………………………125
vii
viii 目
次
14. 4 暗黒物質と暗黒エネルギー ………………………………………………………………128
14. 5 宇宙の未来 …………………………………………………………………………………129
演習問題 ……………………………………………………………………………………………131
付録 ………………………………………………………………………………………………133
演習問題
解答例 ………………………………………………………………………………138
索引 ………………………………………………………………………………………………143
物理クイズ
①：月面での質量（3 択問題）………………………………………………7
②：くぼみのある坂道での競走（3 択問題） ……………………………13
③：タワーからの落下位置（3 択問題） …………………………………21
④：台車の加速（3 択問題） ………………………………………………29
⑤：ニュートンのゆりかご（4 択問題） …………………………………40
⑥：崖からの 3 方向放物（4 択問題） ……………………………………48
⑦：振り子の落下時間（3 択問題） ………………………………………56
⑧：大根の 2 分割（3 択問題） ……………………………………………67
⑨：首飾りの回転（3 択問題） ……………………………………………76
⑩：音の高低と光の色彩の識別（3 択問題） ……………………………87
⑪：回路と消費電力（3 択問題） …………………………………………98
⑫：放射線の水中での速さ（3 択問題）…………………………………109
⑬：生涯の心臓の鼓動（3 択問題）………………………………………119
⑭：光速ロケット（3 択問題）……………………………………………130
目
映画の中の物理
①：中世の 4 元素説と未来の反物質（映画『天使と悪魔』）……………7
②：列車の暴走エネルギー（映画『アンストッパブル』）
………………13
③：水ロケットの放物運動（映画『真夏の方程式』）……………………22
④：宇宙遊泳の慣性運動（映画『ゼロ・グラビティ』）…………………29
⑤：地球接近小惑星の衝突（映画『アルマゲドン』）……………………40
⑥：火星での高跳び（映画『ジョン・カーター』）………………………48
⑦：振り子運動と加速（SF 映画『スパイダーマン』）…………………57
⑧：風船で家を浮かせられるか？（映画『カールじいさんの空飛ぶ家』
）…67
⑨：華氏温度と自然発火温度（映画『華氏 451』）………………………76
⑩：太陽の活動期（映画『サンシャイン 2057』） ………………………87
⑪：コンピュータと人間社会（SF 映画『マトリックス』）……………98
⑫：核融合エンジン（映画『バック・トゥ・ザ・フューチャー』と
『2001 年宇宙の旅』） …………………………………………………109
⑬：遺伝子による差別と未来社会（SF 映画『ガタカ』） ……………120
⑭：地球外惑星と宇宙資源（映画『アバター』）………………………130
科学史コラム
①：古代ギリシャの自然学 …………………………………………………8
②：アリストテレスの運動学………………………………………………14
③：ケプラーの天上の力学の法則…………………………………………23
④：ガリレオの地上の力学の法則…………………………………………30
⑤：ニュートンの力学の統一と現代的発展………………………………41
⑥：エネルギーの語源………………………………………………………49
⑦：ニュートンの人工衛星と万有引力の伝播……………………………58
⑧：アルキメデスの浮力とテコの原理……………………………………68
⑨：熱素と分子運動のエネルギー…………………………………………77
⑩：光は波か粒子か？………………………………………………………88
⑪：電磁気学の歴史…………………………………………………………99
⑫：原子モデルの歴史的変遷 ……………………………………………110
⑬：生命の起源とプラズマ物理 …………………………………………121
⑭：大数仮説と人間原理 …………………………………………………131
次
ix