物理学が支える身近な技術

イントロ

技術を法則までたどって説明する

技術は法則と無関係な箱ではありません。センサーへ入る物理量、利用する現象や法則、得たい情報や動作、成立条件と限界を順にたどると、物理基礎が社会の機能をどう支えるかが見えます。

定義

教科書では: 自然現象を測定し、物理法則で量の関係を読み、目的の機能へ変える設計の流れです。
言いかえると: 例えば距離計は波を送り、反射して戻る時間を測り、波の速さから距離を求めます。無線通信は電磁波へ情報を載せて伝えます。建物の制振や乗り物の安全装置も、運動、力、振動、エネルギーの関係を利用します。

公式

往復時間から距離

d=vt2

速さvの波が対象まで進み、反射して戻る往復時間tから片道距離dを求めます。

使うときのコツ

vtは往復距離です。対象までの片道距離には2で割る操作が必要です。

解くコツ

何を直接測り、どの法則で欲しい量へ換算したかを分けます。

比較

分野の例交通・建築

分野の例計測・医療技術

分野の例情報通信

実際の装置は複数の法則と材料・制御を組み合わせます。一つの法則だけで全機能を説明したことにはなりません。

手順

例

場面: 空気中の音速を340 m/sとし、超音波距離計が波を出してから反射波を受けるまで0.020 sだった。対象までの距離を求める。
順に考えると: 波が進んだ往復距離はvt=340×0.020=6.8 mです。測りたいのは対象までの片道距離なので、d=6.8/2=3.4 mとなります。音速は媒質や温度によって変わるため、実際の測定には補正や誤差があります。
ここが結論: 対象までの距離は3.4 mです。

注意

確認

Q1

反射波の往復時間から対象までの距離を求める式で、2で割る理由は何ですか。

確認

Q1

身近な技術を物理学と結び付ける説明として最も適切なのはどれですか。

まとめ