イントロ
物理学が支える身近な技術
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。
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学習モード
外観
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定義
- とは、現象の重要な要素を選び、量や関係で表して説明・予測に使う簡略化した表現です。
- たとえば
- 距離計では波の速さと往復時間だけを取り出し、反射条件を置いて対象までの距離を求めます。
公式
反射波で距離を測る
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。
- d対象までの片道距離
- v媒質中の波の速さ
- t送信から受信までの往復時間
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 | 利用する物理 | 得られる機能 |
|---|---|---|
| 交通・建築 | と振動の関係 | 制動、衝撃低減、制振 |
| 計測・医療技術 | 波の反射・吸収・透過 | 距離測定、内部の情報 |
| 情報通信 | と | 情報の変換・伝送 |
分野の例交通・建築
- 利用する物理
- と振動の関係
- 得られる機能
- 制動、衝撃低減、制振
分野の例計測・医療技術
- 利用する物理
- 波の反射・吸収・透過
- 得られる機能
- 距離測定、内部の情報
分野の例情報通信
- 利用する物理
- と
- 得られる機能
- 情報の変換・伝送
の流れを含む複数の関係と、モデルの成立条件を組み合わせて説明します。
手順
技術を説明する四段階
- 1
装置へ入る力、光、音、電圧などの量を特定する
- 2
利用する現象と関係を挙げる
- 3
で直接得る量と計算で求める量を分ける
- 4
近似、精度、安全確保など成立条件と限界を書く
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
原理の説明と個別判断を混ぜない
確認
距離測定の確認
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
説明方法の確認
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
まとめ
- 1
技術は入力する物理量と現象を利用します
- 2
から測定や動作という機能へ結び付けます
- 3
反射波の往復時間ではd=vt/2です
- 4
モデルが説明できる範囲と限界を明示します