物理/物理学とは何か
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2013年5月12日 (日) 11:37時点における版
物理 ＞１章 物理学とは何か [#t3d91ab6]
目次 |
物理学の本（Text books of physics)
- ウィキブックス（高等学校理科 物理Ⅰ:http://ja.wikibooks.org/wiki/%E9%AB%98%E7%AD%89%E5%AD%A6%E6%A0%A1%E7%90%86%E7%A7%91_%E7%89%A9%E7%90%86I）
- ウィキブックス（高等学校理科 物理Ⅱ:http://ja.wikibooks.org/wiki/%E9%AB%98%E7%AD%89%E5%AD%A6%E6%A0%A1%E7%90%86%E7%A7%91_%E7%89%A9%E7%90%86II）
(注）上記2冊の本は、編集半ばであり重要でも記載のない項目が相当ある。
物理学とは何か（What is physics）
物質の構造を探究し，微視的および巨視的な自然現象を支配する法則を，物質の構成要素間の相互作用として捉え探究する自然科学の最も基礎的な分野(新辞林 三省堂）。
- ウィキペディア（物理学):http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6） の序文と概論を参照のこと
- wikibooks(High_School_Physics/Introduction_to_physics):http://en.wikibooks.org/wiki/High_School_Physics/Introduction_to_physics in English
（注）上記ウィキペディアでは
「物理学とは、自然界の現象の力学的理解と原子論的理解の二つからなる」としているが、
「自然界の（主に無機的）現象を量的に把握し、観察と実験により、その現象を支配する基本法則をあきらかにすること」
という見方もできる。
物理学の特徴(Features of physics)
自然界の現象を量的にとらえる
数学が大きな役割を果たす
自然という書物は、数学という言葉で書かれている（ガリレオ・ガリレイの言葉）。
- ウィキペディア（物理学) :http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6#.E7.89.A9.E7.90.86.E5.AD.A6.E3.81.A8.E6.95.B0.E5.AD.A6中の「物理と数学」の項目を参照
（注）自然界の現象を量的にとらえると、その法則が数式を利用して正確・簡潔に記述できるため、冒頭のガリレオによる有名な言葉が残された。
理論の正否をきめるのは実験
どんなに理論が美しくても、実験結果と合わないものは否定される。
古典物理学の誕生の概観
天体の運動
天動説
古代、地球は宇宙の中心にあり、その周りを太陽や星星が回転すると考えられた。
天動説のほころびと地動説
火星の不思議な運動；大きな逆行の謎
ケプラーの挑戦
ケプラーは、ティコ・ブラーエの約２０年分の観測データ（太陽と惑星の緯度、経度とその日時）をもとに火星の運行の謎の解明に取り組んだ。多くの失敗の末、遂にユークリッド幾何学を利用してデータ解析し軌道を求める天才的方法を思いつき、火星の運動を解明した。さらに他の惑星のデータも解析し、惑星の運動法則を纏めた。
惑星運動に関するケプラーの法則
地上の物体の運動
古代の運動の認識
物体が落ちたり、煙が上っていくのを見たり、人間や馬車が荷物をひいたり、てこを使って重いものを持ち上げる等の多くの経験や観察をもとに、推論して、力と運動にかんする理論が発生した。
アリストテレス（ギリシア・BC384～322頃）の運動論
運動には２種ある。
自然運動；物体にはそれぞれ固有の居場所が決まっており、強制力が働いていなければ、その位置に向けて動いていく（例えば石は地球の中心が居場所なので下に落ちていく。重いものほど早く落ちる）。
強制運動；自然運動が妨げられ止まっている物体を動かすには力が必要。力の大きさに比例して物体は早く動き、力を加えるのをやめれば止まる。
ガリレオによる地上の物体の運動法則の発見と数学
ガリレオは、アリストテレスの運動論に疑問をもった。
落体の運動法則
物体が落下するとき、その速さがどのように変化するかを、具体的に明らかにしようとした。
このように考えたのはガリレオが初めてであった。
実験の結果、速度は落下時間に比例して増大するという事実を発見し、落下物体の位置が時間の２次関数で表せることを突き止めた。
この探求にさいして、時々刻々増加する速度を扱うことになり、瞬間速度の概念も考案し、微分学の端著を開いた。
また、物体の落下の速さは重さによらず一定であることを明らかにした。
慣性の法則
アリストテレスの唱えた強制運動論（力を加えなければ運動は止まる）にも疑問を持ち、
振り子運動の考察から、物体は力を加えなければ、同じ速さで運動し続けるという、慣性法則を発見した。
投射体の運動
この2つの法則と組み合わせて投射体の運動も明らかにした。
ガリレオの相対性原理
一定の速度で移動している船のうえで、物体を落としても、船に乗っている人がみれば、真下におちる。
静止している地上での落下運動とおなじこと。
これを落下の運動法則と慣性法則から、論証し、実験で確かめた。
これより力学は、一定の速度で動いている観測系で観測するかぎり、同一であるという仮説を唱え、地動説を擁護した。
ニュートン力学(古典力学）の誕生；天体と地上の物体の運動の統一
・ニュートンは、地上の物体の運動も、惑星(天体の物体）の運動も、
同じ法則にしたがっていると考えた。
・先人の発見した運動の法則のなかから根本的なものを選びだし、
自ら発見した運動法則を付け加えて、運動の３法則に纏めた。
・さらにケプラーの法則と運動の３法則から物体間に働く万有引力の法則を得た。
・多くの地上の物体の運動と天体の運行を、これら４つの法則から厳密に導き、本にした。
