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基礎講座(工学院2017年度) 福川賢治のホームページ

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(1)

基礎講 ( 物理学 1 A 対応 )

学習支援センタ 講師 ( 物理 ) 福川賢治

第一回 単位 次元

第二回 ベクトル 標

第 回 速 加速

第四回 加速 速 を求 (1)

第五回 加速 速 を求 (2)

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 1

(2)

1. こ 授業 習熟 調査 勧告 基 設置さ います

物理 あま 触 い い人向け そ 基本を解 す す

2. 初回 簡単 思 徐々 しく い ます 続した 講を推奨します

応用 展問題 楽 解け 人 大 し う

3. 単位 取 こ を保 す あ ませ 補助 します 最終的 皆さ 勉強し い す

4. ま 基本問題を楽 解け ベルを目指し く さい

5.スライ 私 Google HP (https://sites.google.com/site/kfukukawa00/kogakuin2017)

取 う し ます

注意 項

1. 私語 慎 く さい く 授業を行う す 質問 い 構いませ

(個別指 質問 歓迎)

2. 食 え く さい 水分補給 周 を汚さ い う 気を け 行 く さい 3. トイ 等 自由 行 いた い 構いませ

4.

(3)

参考文献を調べ

ま 本( い 疲 い本) 自分 相性 良い本 ( 容 分 ?) (物理一般 本 し ) 長く使え う いう観点 大

分 い 図書館 借 → 自分 あ た本を購入

大学初年時向け

理工系物理学講義 加藤潔 風館 2916 くわ 初等力学 前 昌弘 東京図書 2700

力学(物理入門コ ス1) 戸 盛和 岩波書店 2700 趣味 物理学 広江克彦 理工図書 1944

和訳 あ 米国 教科書

フ インマン物理学 I 力学 R.P.フ インマン 等著 岩波書店 3672 ク 物理学コ ス 力学 丸善 8640

工学院大学 金 祥久さ (機械工学科流体 研究室) 動画 ジ

http://fluid.mech.kogakuin.ac.jp/~minnie/for_students/engmech.html 各項目 ンク た

高校生向け

高校 教科書

宇 一分 やすい高校物理 鯉 拓 Gakken 1480 そ フ 冒険 ッ フ クラ 3780

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 3

(4)

問題を解くた 必要 こ ( 回生 備えた研究活動 基礎学力 く ) (1) 出 く 単語 意味を覚え

日本語 英語 数式 対応を け 例. 速 v (velocity), 加速 a (acceleration) (2) 基本的 法則やそこ 定理 意味 ( い) を覚え

日本語 数式 両方 明 う 授業 最 限ここま さえ こう

(3) 問題文を 取 問題文 物理的 ういう状況を表し い を考え 問題文 (書け 場合 ) 図を書い う

例. 静 物体を落 す = 初速 0 物体を落 す (4) 方程式を作

(1) 覚えた数式 日本語 対応を使 未知数を含 方程式を作

(5) 方程式を解く (数学 作業 → 安 人 数学 基礎講 講し う!) (4) 作 た方程式を実際 解く

学生側 望 こ

1. 自分 こ 分 い をし 意識し う

2. 習い始 うち 答えを見 まわ い 過程をし 理解し う! 3.

(5)

1. 単位 ?

単位 物 量を測 必要 基準を示した

本来測 人 異 い い

例: ① イ ス ア カ ン 法 日本: 尺貫法 太陽暦 太陰暦

た し 人 使う単位 異 い 会話す 便

何 統一さ た単位系 必要 SI 単位 通常使わ

(慣例的 理由 SI単位系以外 単位 使わ こ あ )

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 5

(6)

1-1. SI 単位

SI 基本単位 --- 基本 物理量 結び け 覚え う! 力学 く出 く SI 基本単位 3 !

長さ --- m ( トル meter) 時間 --- s ( , second) 質量 --- kg (キロ ラ , kilogram)

電流 --- A (アン ア, Ampere) 電磁気学 回路等 場 温 --- K ( ル ン, Kelvin) 熱力学 場 物質量 --- mol ( ル mole) 原子6.0×1023個 光 --- cd (カン ラ'

非SI 単位 SI 属し い い 現 慣用的 使わ い 時間 --- m (分 minute), h (時間 hour), d (日 day) yr (年, year) 質量 --- t (トン ton) 1 t = 1000 kg

注意 !!

異 物理量(次元)を表す単位を持 た量 足し引 い(掛け算 割 算 OK)

① 3 kg+5 s 3 m +5 m2 う 計算 誤 あ

(7)

1-2. SI 接頭辞

非常 大 い数や 非常 小さ 数を表すた 後 桁数を表す 称を けた 例. 東京→ロ マ 距離 Expedia 9,904.55 km = 9904550 m

恐 く m 単位 こ 距離を言 い 言う人 殆 い い う

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 7

(8)

有効数字 べ 表示

有効数字 (Significant figure 或い s.f. ) 精 を考慮した際 値 し 信頼 数値

例. 100 m走 タイ 測定

A. 一般的 腕時計 測11 10 近い 小数点以 情報 曖昧 10 (0桁) B. 1/100 ま 測定 計器 10.33 小数点第0位ま 信頼 10.33 (4桁) 使用す 機器 得 精 異

有効数字 表し 精 を考慮した結果を得 必要 あ

有効数字 = 信頼 桁 + 誤差を持 1桁”

1 cm 1.00 cm 精 異

(9)

有効数字 桁数 い 注意

簡単 場合 1.5 2桁 1.58 3桁 1.50 3桁

数字 0 測定 結果決定した0 け く 大 さを示すた い い 0 あ (位取 0)

考え い 値 大 さ 対す 精 有効数字 桁数 決ま 例 単位 換算 有効数字 桁数 変わ い

1. 11.0cm = 110 mm = 0.000110 km = 3桁 2. 3.0 kg = 3000 g = 2桁

単 3000 g 書いた 精 程 分 い

そ う 曖昧さをさけ た 指数を使 位取 0を表す 誤差 1 g 程 3.000×103 g (4桁)

誤差 10g 程 3.00×103 g (3桁) 誤差100g程 3.0×103 g (2桁)

9

3.0×103 g

1.10×10-4 km

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川'

(10)

1.3 SI 組立単位 ( 問題 1.3)

SI 組立単位 : SI 基本単位 組 合わせ 表さ 単位

代表的 例 . 実際 イ ジし 納得し う!

面積 (m

2

), 体積 (m

3

), 密 (kg/m

3

), 運動 関係した量 : 速 (m/s), 加速 (m/s

2

)

注意: 1 km

2

1000 m

2

く 1 (km)

2

=1 × (1000 m)

2

=1,000,000 m

2

あ

非 SI 組立単位

体積 : L ( ットル Litre) 1 L = 1 dm

3

= 1 × (10

-1

m)

3

= 10

-3

m

3

=1000 cm

3

く使わ い いく 固有 前 与え い あ

(11)

注意 必要 SI 組立単位

角 : rad (ラジアン, radian) = (長さ)/(長さ) 単位 い量 (無次元量)

1 rad 定義

い い 図形 角 大 さ

画像 Wikipedia 各項目 引用した

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 11

(12)

1-4. 次元解析

物理学的次元を調べ こ 物理量同士 関係を予測す 方法 (問10)

物理学的次元 基本 物理量 組 合わせを単位 やや 象的 表した

例 年 日 共 時間を表す 同 次元 考え

長さを L (Length 略), 質量を M (mass), 時間を T (time), 電流を I, 温 を Θ, 物質量をN, 光 を J 表す

cf. 数学的次元 例えば空間 点をあ わす 何個 数 必要 ? (次回 標 ベクトル 取 扱う)

次元 書 方 [Q]=[LaMbTc]

面積 [L2], 体積 [L3], 密 [ML-3], 運動 関係した量: 速 [LT-1], 加速 [LT-2]

再 注意: 次元 異 物理量 基本的 物理量 違う 足し引 い !! (特 文字式 場合 注意)

(13)

次元解析 例 ( 振 子 等時性 )

イ 見

振 子 運動 糸 長さ l [m], 重 質量 m [kg], 重力加速 g [m/s2] 関係す

した 周期 T こ 関数 し ま

l, m, g 2 量 3 量 単位を作 こ い

した

T=C lx my g z (1) (C 次元を た い定数) ((1)式 辺 次元) = [T]

((1)式 右辺 次元) = [Lx]×[My]×[Lz T-2z] = [Lx+z My T-2z]

物理的 正しい式 あ た 両辺 次元 等しい必要 あ

→ x, y, z い 方程式を立 こ

[L] い x+z= 0 [M] い y=0, [T] い -2z=1 x=1/2, y=0, z=-1/2

� = � �� 実際は C=2π

重 質量 違 い 糸 長さ 同 あ ば 振 子 周期 同 !

質量 m 長さ l

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 13

(14)

BACK SLIDES

(15)

注意すべ 計算 問題 1.5

指数関数 ex x (指数 引数) 単位 問わ い

指数関数や 角関数 引数 無次元 あ 何故 ? 明1. ラジアン 定義 戻 (→ 板書)

明2. 微分を考え

� �

�� = ��,

�2 si �

��2 = − sin � , �2��c s �2 = − cos �

明3. 指数関数や 角関数 以 足し算 表さ (微分を扱うさい触 ) ex=1+x+x2/2 sin x = x-x3/6+x5/ 2 … cos x =1- x2/2+x4/24…

各々 例 x 単位(次元) を持 う こ 起こ ?

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 15

(16)

いく 問題 解答例 ント

問題1.1 (4)

単位換算す → 5 cm3 = y km3 y を求 ま 接頭辞を数字 直し 単位を揃え 5 (10-2 m)3 = y (103 m)3

5×(10-2)3 m3 = y ×(103)3 m3

した 5×(10-2)3 = y ×(103)3

(ここ 数学)

指数法則 (10a)b=10ab, 10a/10b=10a-bを用い 式変形 5 ×10-6 =y ×109

y=5×10-15

した 5 cm3 = (5×10-15)km3

問題1.1 (7)

単位換算す 1年 = 何 ? 基本的 考え方:

一 単位を細 い し いく 1年 = 365日=365×24時間

=365×24×60分 = 365×24×60×60

= 3.15×107

(電卓を使わ い場合 計算間違いしやすい) ま い計算 スを防 コ (実用 重要) 予 概算を行

1. 答え 何桁 数

2. 0 い一番初 数字 何 を考え う

365×24×60×60 ~ 365×20 ×4000

~ 365×8000 ~ 400×8000 ~ 3200000

(17)

問題1.6 (標準問題)

1. トン 運動方程式 F=ma

F: 力 (force) 組立単位: N ( トン) m: 粒子 質量 (mass) 単位: kg

a: 加速 (acceleration) 単位: m/s2

異 単位 掛け算 OK 等式 右 次元 等しい [N]=[kg m/s2]

2. 力 P (pressure) 定義

力 F 面積 A (area) 時 P=F/A 力 単位 [Pa] (Pascal, パスカル) 力 単位 [N]=[kg m/s2]

面積 単位 [m2]

[Pa]=[kg m/s2]/[m2]=[kg/m s2]

3.

大ま 仕 定義 [仕 W (work) ]

=[力]×[距離 d (distance)]

W=Fd (正確 定義 2Q 行う)

単位 [J] (Joule, ジ ル) [J]=[N m]=[kg m2/s2]

最後 等号 1 結果を用いた 運動 ネル 定義

K=(1/2)mv2

v: 速 (velocity) 単位:[m/s]

運動 ネル 単位

[kg (m/s)2]=[kg m2/s2]=[J] 仕 単位 同

4.

体積 V (Volume) 単位 [m3] 従 PV 単位

[Pa]=[kg m/s2 m3]

=[kg m2/s2]=[J] 5.状態方程式 PV=nRT

(熱力学, 3Q 以降 取 扱う) 温 T (Temperature)

単位 [K] (Kelvin, ル ン) n: 物質量 単位 [mol] ( ル) 従

R=PV/(nT)

求 べ 単位 4. 結果を用 い

[J/(mol K)]=[kg m2/(s2 mol K)]

7.1000倍

&Vを表す数字 1000倍

大 く '

2017/4/17 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 17

(18)

基礎講 ( 物理学 1 A 対応 )

学習支援センタ 講師 ( 物理 ) 福川賢治

第一回 単位 次元

第二回 ベクトル 標

第 回 速 加速

第四回 加速 速 を求 (1)

第五回 加速 速 を求 (2)

(19)

物体 位置を表す ?

原理的 一 位置 前を指定す 必要 あ

例. 学習支援センタ 位置

東京都八王子市中 2665-1 八王子キャンパス 新2号館 3 階

た し こ 物体 運動を表現す 非常 面倒

簡単 位置を言い表すこ い ?

あ 点(原点, Origin)を基準 し 方向 け離

い を指定し や ば い

こ 標 (Coordinate) 考え方 あ

基準 点 そこ 位置 指定 仕方を

標系(Coordinate system) 呼ぶ

八王子キャンパス キャンパスマップ

2017/4/24 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 2

(20)

標系 例

直交 標系 (最 簡単 標系)

O

2次元直交 標 3

次元直交 標 3

y[m]

x [m] 5

(5 m,3 m)

O

x [m]

y[m] z [m]

(5 m,3 m, 4 m)

5

3

標系一般 性質

点を表す 必要 数 個数 数学的 空間 次元 一致す

原点 軸 選び方 ( 標系を 標系を張 言う)自由 選べ 問題 うまく ( ま 方向や形状 注意し ) 軸を取 必要 あ

原点 直交す 軸を書 各軸 距離 方向 位置を指定

(21)

極 標系

O x [m]

y[m]

r [m] r , Θ Θ

3次元極 標 (球 標)

画像 Wikipedia 引用

2次元極 標 ( 標)

考え 運動 ( 運動 ) 原点 距離

あ 軸 (x 軸, z 軸) 角 表したほう 簡単 位置を 表せ

一般 筒 標や

高次元極 標 考え

直交 標 対応 x=r cos Θ

y= r sin Θ (た し r>0)

を用いた 角関数 定義

問:直交 標 対応 う ?

2017/4/24 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 4

(22)

角関数 値

定義: 単位 (原点を中心 す 半径 1 )

x 軸 角 Θ 回 た 標 cos Θ, sin Θ

代表的 角関数 値 覚え う!!

O x

y

1 cos Θ, sin Θ Θ

O x

y

r

弧 長さ L=r Θ 角 Θ=L/r

ラジアン 定義 Θ

1

L

(23)

スカラ ベクトル

スカラ : 大 さ を持 た量 標軸 変更 大 さ 変わ い 例: 質量 長さ 電荷 絶対温 ベクトル 大 さ

ベクトル: 大 さ 向 を両方 た量 標軸 回転 成分 変わ

例: 位置 力 電場 磁場 例: 位置ベクトル (2次元 場合)

O x [m]

y[m]

(r cosΘ, r sinΘ) Θ

Ԧ� Ԧ� = (rx,ry) = r cos Θ, r sin Θ ベクトル 成分表示 ベクトル 太字を用い r 書

ベクトル 大 さ (スカラ )

� = Ԧ� = �� + � = � cos � + � sin �

性質 異 量 異 記号 表す

ベクトル 図形表示

2017/4/24 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 6

(24)

ベクトル 演算 そ 1

Ԧ = 1, , … … , � , = 1, , … … , � , 与え た す

以 演算 定義さ い

1.ベクトル 大 さ

= Ԧ = 1 + + ⋯ + � ( 平方 定理)

2. スカラ 倍

� Ԧ = � 1, � , … … , � �

特殊 ベクトル: 逆ベクトル − Ԧ = − 1, − , … … , − � ロベクトル 0 = 0, 0, … … , 0

3.ベクトル 足し算 引 算

+ = 1 + 1, + , … … , � + �

− = 1 − 1, − , … … , � − � 分配法則: � + = � + �

Ԧ

(25)

ベクトル 演算 そ 2

ベクトル 積 (スカラ 積 scalar product) Ԧ す角をΘ す

Ԧ 積 定義 Ԧ ∙ = Ԧ cos �

意味: 二 ベクトル 程 同 向 を向い い を表す Ԧ ∙ = 0 ↔ Ԧ = 0 また = 0 また Ԧ 垂直

1. 積 スカラ あ .

2.交換法則 Ԧ ∙ = ∙ Ԧ

3. 結合法則 Ԧ ∙ � = � Ԧ ∙ = � Ԧ ∙ 4.分配法則 Ԧ ∙ + Ԧ = Ԧ ∙ + Ԧ ∙ Ԧ

成 立 (→ 板書)

Ԧ

Θ

2017/4/24 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 8

(26)

単位ベクトル あ 方向 長さ 1 ベクトル

x軸方向 単位ベクトル �� = 1,0 , y 軸方向 単位ベクトル � = 0,1 例 , = 1,0 + 0,1 = �� + �

�� = 1,0 � = 0,1 す角 90 �� ∙ � = 1 × 1 × cos 90° = 0 また �� ∙ �� = 1 × 1 × cos 0° = 1, 同様 � ∙ � = 1

ま

�� ∙ �� = � ∙ � = 1, �� ∙ � = � ∙ �� = 0

ま 同 方向 軸 単位ベクトル 積 1 あ

直交す 軸 単位ベクトル 積 0 あ (正規直交性 呼ば ) こ 性質 分配法則 Ԧ = �, , = �, 時 Ԧ ∙ = � � +

一般 n 次元実空間 ベクトル

Ԧ = 1, , … … , � , = 1, , … … , � 対し

積 通常 Ԧ ∙ = 1 1 + + ⋯ + � � 定義さ Ԧ す角 � cos � = ∙ 定義さ

(27)

ベクトル 外積 (ベクトル積 vector product)

対し 2 ベクトル す角をθ す

大 さ: Ԧ × = Ԧ sin � あ

意味: を �辺 す 平行四辺形 面積 大 さを持 垂直 近いほ 大 さ 大 い

向 : Ԧ 垂直 Ԧ 始点を重 Ԧ を180 小さい角

重 た 始点を回転 中心 し 回転させ 方向

右ネジを回した 右ネジ 進 方向

ベクトル 外積 性質

0. 外積 結果 ベクトル あ 1. Ԧ × Ԧ = 0

2. Ԧ × = − × Ԧ 反交換性

3. � Ԧ × = � Ԧ × = Ԧ × � 結合法則 4. Ԧ × + Ԧ = Ԧ × + Ԧ × Ԧ 分配法則

5.Ԧ ∙ Ԧ × = ∙ Ԧ × = 0 Ԧ × は Ԧ 垂直 ベクトル

Ԧ = 1, , , = 1, ,

Ԧ Ԧ ×

− × Ԧ

工学院大学 物理学1 A対応基礎講 &福川' 2017/4/24 10

(28)

外積 成分表示

�� = 1,0,0 , � = 0,1,0 , � = 0,0,1 (z 軸方向 単位ベクトル) す 前 ジ 性質 1. Ԧ × Ԧ = 0

同 軸 単位ベクトル同士 外積 �� × �� = � × � = � × � = 0 また 直交す 軸同士 ベクトル 外積 大 さ 1 × 1 × sin 90° = 1 向 �� × � 場合 z 軸

した �� × � = � , 同様 考え

�� × � = �

� × � = ��

� × �� = �

� × �� = −�

� × � = −��

�� × � = −�

右 各式 前 ジ 性質 2. Ԧ × = − × Ԧ を用いた

赤字 部分 け覚え

こ 単位ベクトル 外積 分配法則

Ԧ = 1, , , = 1, , す

=Ԧ × − , 1 − 1 , 1 − 1

(29)

基礎講 ( 物理学 1 A 対応 )

学習支援センタ 講師 ( 物理 ) 福川賢治

(https://sites.google.com/site/kfukukawa00/kogakuin2017)

第一回 単位 次元

第二回 ベクトル 標

第 回 速 加速

第四回 加速 速 を求 (1)

第五回 加速 速 を求 (2)

2017/5/8 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 1

(30)

( 速 前 ) 関数 ?

運動学 物体 運動を調べる … 物理的 記述 基礎

時刻 変化 対す 位置 速 加速 を調べ

関数 (function) 通常 ベ

あ 量 あ 量 対応関係 思え 良い 例. x=x(t)= 4.9t2

(物理学 x 座標 値につい

くx=f(t) く x=x(t) いう書 方をする )

具体的に 以 う 表を作

t [s] x [m] 1 4.9 2 19.6 3 44.1 4 78.4 5 122.5 6 176.4 7 240.1 8 313.6 9 396.9 10 490

(31)

速 (velocity) ( 高校 復習 , 問題 3.1)

・以 簡単 ため一次元 運動を考える

(2 次元以 場合ベクトル 概念 必要 )

速 一定 場合 ( 速 )= &位置 変化' / &時間'

速 速さ

速 … ( マイ ス ) 方向 動く 速

速さ… 速 大 さ ( 絶対 0 以 )

t x

O

x-t ラフ

x=v

0

t ( 直線 式 )

傾 速 v

0

t t v

v0

O

v-t ラフ

( 時刻 t ま 移動距離 v

0

t)

= ( 長方形 面積 )

2017/5/8 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 3

(32)

平均速 瞬間速 &微分 定義 問 3.1)

平均速 v = Δx/Δt

Δt 小さけ ば小さいほ 良い

Δt 実際 測 0 い

頭 中 0 いく 近 け こ

中 操作を Δt → 0 極限 (limit)を

呼び 書く

瞬間速

最後 定義 教科書 出 く 微分 定義

t [s] x [m]

t x

t+Δt x

+

Δx

v [m/s]

Δx/Δv

微分結果をt 関数 し 意識す 時 dx/dt(t) 書く

(33)

速 物体 変位 (続 ,問 3.2)

疑問: 速さ 一定 見 せ い場合に 物体 位置 変化(変位) うにす 良い ?

答え: 速さ 一定 せ 程 (一定 場合 識別 いく いに) 時間を細 く分け → 微積分 考え方

微小 物理量 物理量 前にΔ (デ タ, delta)をつけ 表す (Δt, Δx 等) 注意: Δt Δ×t い!! ( f(x) f×x い 同 )

(進 距離)=(大体青い短冊 面積 和)

極限ま 刻 幅を細 くす 厳密 v=v(t) t軸 ま た図形 面積 (定積分そ )

t

t v

O

5

(34)

微分 意味

前 スライ 微分 定義式 Δt → 0 を忘 (二重 〜 近似的 成 立 いう意味)

x-t ラフを拡大す 直線 近 く

t x

O t t+Δt

x(t) Δt x t+Δt

1 階微分 (1 回微分するこ をこう呼ぶ) 関数を 1 次関数 微分するこ に対応

(速 ラフ 傾 対応)

= (赤い直線 x=x(t) グラフ 傾 )

地球 狭い生活範囲

平 見 せる

(35)

微分 公式 ( 出 板書 問 3.3)

基本的 関数 微分

1. ��� �� = ���−1 多項式 2. ��� sin � = cos �, ��� cos � = − sin � ( 角関数) 3. �

�� �� = �� (指数関数) 4. �

�� log t = 1

� (対数関数)

微分計算 有用 公式 1. �

�� � + � =

�

�� � +

�

�� � (微分 線形性)

2. �

�� � � = �

�

�� � +

�

�� � � (積 微分)

3. �

��

�

� � =

��� � � � − � ���� �

� � 2 (商 微分)

4. �

�� � =

� �

��

�� �

�� (合成関数 微分)

5. ��

��

��

�� =1 (逆関数 微分)

2017/5/8 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 7

(36)

加速 (acceleration) ( 問 3.3)

(加速 )=(速 変化)/(時間) Newton 運動 法則 力 加速 を生

注意: 減速し い 加速 呼ぶ

数学的 速 位置 場合 同様 考え

定義さ

ここ 速 位置を時間微分した あ ( ),

加速 位置を 2回連続 微分した

こ こ を位置 加速 2階微分 (second derivative) あ 呼ぶ

2階微分 2階微分 近く 関数を2次関数

表し いるこ に対応

(37)

基礎講 ( 物理学 1 A 対応 )

学習支援センタ 講師 ( 物理 ) 福川賢治

第一回 単位 次元

第二回 ベクトル 標

第 回 速 加速

第四回 加速 速 を求 (1)

第五回 加速 速 を求 (2)

2017/5/15 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 1

(38)

前回 復習 ( 詳しく 前回 スライドを参照するこ )

速 定義 v= (位置 変化)/(時間)=Δx/Δt &平均速 ' そ 時刻 速 を考え (瞬間速 )

仮想的 Δt → 0 極限を ば い

加速 定義 a= (速 変化)/(時間)=Δv/Δt

1 階微分 関数を 1 次関数 近似 するこ に対応

(39)

微分 積分 関係 ( 問 4.1)

位置 変化を表す近似式 � � + ∆� − � � ≈ � � ∆� を

t=t

0

=a t=t

n

=b ま 足し合わせ

x(t

1

)-x(a) ~ v(t

0

) ×Δ t

x(t

2

)-x(t

1

) ~ v(t

1

) ×Δ t

x(t

n-1

)-x(t

n-2

) ~ v(t

n-2

) ×Δ t

x(b)-x(t

n-1

) ~ v(t

n-1

) ×Δ t

x(b)-x(a) ~ ( Σ

i=0

v (t

i

)) Δ t

t

t v

O

t [s] x [m]

a=t0=0 x0

t1=Δt x1

t2=2Δt x2

(n-1)Δt

xn-1

b=tn=nΔt xn

v [m/s] v0

v1

Vn-1 +

移動距離 速 ×時間を細 く 足し合わせた

3

+

2017/5/15 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川)

(40)

微分 積分 関係 ( 続 )

前 ジ 式 x(b)-x(a) ~ ( Σ

i=0

v(t

i

)) Δt

Δt → 0 極限を 近似式 厳密 等式

� − � = lim

∆�→

σ

�=

� �

�

∆�

こ 辺 無限和 定積分を表し ∆� → �, σ

�=

→ ׬ 書く

従 積分記号を使 式を書 表す

� − � = න � � � す わち � = න � � � + �

書け

こ こ 微分 積分 逆演算 関係 あ こ を表し い

右辺 v(t) t=a t=b 定積分 呼ぶ

(41)

定積分 &問 4.2 '

� � �

�� = � う F(x) を f(x) 定積分(あ い 原始関数) び

積分記号 インテ ラル (integral)を用い � � = ׬ � � 書く

例. 位置 関数 x(t) 速 関数 v(t) 定積分 一 あ (

� � �

�� = � � )

F(x) f(x) 定積分 定数Cを加えた F(x)+C 定積分 ( � � � +�

�� = � )

定積分を書く 通常定数 C を加え 書く (積分定数 呼ば ) 例. ׬� � =

1� + � (C

積分定数)

具体的 計算 微分 推測す

複雑 計算 対し 置換積分や部分積分 を実行す ( うまくいく場合 あ )

2017/5/15 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 5

(42)

初等関数 微積分

�

�

� = ��

�−1

↔ න �

�−1

� =

1

� �

�

+ �

� sin � = cos � ↔ න cos � � = sin � + �

� cos � = − sin � ↔ න sin � � = − cos � + �

�

��

�

�

= �

�

↔ ׬ �

�

� = �

�

+ �

�

��

log � =

1

�

↔ ׬

1

�

� = log � + �

(43)

積分公式

1. ( 積 微分公式 ) ⇔ ( 部分積分 公式 )

f(t), g(t) を t 関数 し

2. ( 合成関数 微分公式 ) ⇔ ( 置換積分 公式 )

u=u(x)=u(x(t)) す

2017/5/15 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 7

(44)

微分方程式 解 方(1) ((2) 次回'(問4.3, 4.4) Step I

x(t) 時間微分 v(t) �

��� � = � �

定積分 定義 x(t) v(t) 定積分 あ 従 v(t) 定積分を一 求 L(t) す x(t)=L(t)+C (C 積分定数) …① 書け

Step II

与え た初期条件を t=a 時 x=x(a) す

こ 条件 実際 運動 実現さ い そこ 積分定数 C を求 こ t=a を ① 代入す (初期条件 微分方程式を解く 仮定 あ )

x(a)=L(a)+C C=L(a)-x(a) 分

STEP III

STEP II 得 たCを① 代入す x(t)=L(t)-L(a)+x(a)

4 ジ 求 た � � = ׬

�� � � + � 一致

(45)

基礎講 ( 物理学 1 A 対応 )

学習支援センタ 講師 ( 物理 ) 福川賢治

第一回 単位 次元

第二回 ベクトル 標

第 回 速 加速

第四回 加速 速 を求 (1)

第五回 加速 速 を求 (2)

2017/5/22 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 1

(46)

過去 2 回 ま ( 詳しく 前回ま スライ を参照 )

速 : � = lim

∆�→

∆�

∆� =

��

�� 加速 : a = lim∆�→

∆�

∆� =

��

�� =

�

��

��

�� =

�2�

��2

定積分: � � = ׬ � � 時 � � ��� = �

F&t'をf(t) 定積分(あ い 原始関数) 呼ぶ 微分方程式を解く … 微分を含 方程式

� � �

�� = � � x(t) を求 こ

初期条件 t=a 時 x(a) (微分方程式を解く 必要 最初 状態) 積分 微分 関係 � − � = ׬ � � �

微分方程式 解

� � = [ � ]� + � = � − + �

L(t) v(t) 定積分

加速 a(t) 時間 関数 し 与え い 場合 速 v(t) を求 手続 全く同様 あ

微分: x(t) → v(t) → a(t) 積分: a(t) → v(t) → x(t)

(47)

変数分離型微分方程式

( 問 5.0)

� �

�� = � を � + ∆� ≈ � + ��� � ∆�

Δx → 0 極限 ≈ = を使 数値的 解く 但し 初期条件 f(0)=1 す

2017/5/22 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 3

x Δx f(x) �� �

��

Δf

=f(x+Δx)-f(x)

∆�

�

0 1 1

0.1 0.1 0.2 0.1 0.3 0.1 0.4 0.1

真 解 f(x)=ex

1

1.105171 1.221403 1.349859 1.491825

(48)

前頁 続

こ 方程式

� �

�� = � ׬

� �

�� � = ׬ � � し 解くこ い

(積分 中 求 べ f(x) 含ま い ) 前頁 議論 以 う 解く

� + ∆� ≈ � + ��� � ∆� ∆∆� ≈ ��� = 従

∆ ≈ ∆� ...

①

(前頁 例 たまたま等しい)

従 ①式 Δx→ 0 し 両辺そ 和を ば い (定積分) ま ׬

� � = ׬� � ( 辺 f 右辺 x 式 [変数分離])

従 ��

�

0 = � ↔

�

0 = �� ↔ � = 0 ��

(49)

変数分離微分方程式 簡便 解 方 (問5.2 板書) 前頁 議論を一般化し

�

�� = (初期条件 f(x=a)=f(a), a あ 定数) を解く

�

�� =

�

�� をあた 分数 あ う 見 し

g(f) dx を移項し 積分記号を付け

す ׬

� �

� = ׬

� �

1

� 定積分を K(f) す

� = � − = � −

こ 式を f(x) い 解けば求 べ 答え

2017/5/22 工学院大学 物理学1 A対応基礎講 (福川) 5

f(x) 関数 (K(f(a) 単 数)

参照

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