高等学校の物理学教育のためのコンピュータによる模擬実験教材の開発
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(2) . 北海道教育大学紀要 (第1部C) 第47巻 第1号. 平成8年8月. lo i i fEduca Journa fHokka i Se i i do Un t l t t ver s c onIC)Vo on( yo .47 .1 , No. Au鱒 t s ユ , 1996. 高等学校の物理学教育のためのコンピュータによる模擬実験教材の開発. 志 尾. 爾. 北海道教育大学岩見沢校 物理学研究室. 桑. 原. 美. 穂. 札幌大平小学校. 1. 緒言. 高等学校の教育の場の中で 「物理学」 というものは比較的, 敬遠されがちである‐ 又 最近中学校の現場 , の教師は生徒の理科離れを指摘している. この理由はどこに有るのか. これは 物理の講義が公式の暗記に , 始まり数値計算に終わることや物理現象や問題を視覚的に感じ取ることが少ないからである これを改善 し . , 物理現象を視覚的に展開させるためには実験授業を多くする必要が有るが これは費用がかかり 又現在の , , 理科の生徒数に対する教員数の比50:1では実験授業は不可能で, これを実の有る授業にするには5:1の 教員数が必要である. そこで現状の教員比の中でこれを可能にする方法と して 情報教育導入が考えられる , ‐ こ れ によ っ て, 「物 理 学」 と いう も の が身近 な 学 問 になる の で はな い か と考 え た . 研 究 者 はコ ン ピ ュ ー タ によ る 模 擬 実 験 の方 法 を紹 介する. コ ン ピュ ー タ はBAS ICと いう 簡易 言 語 を使 っ て 解く よう にな っ て い た が, コ ン ピ ュ ー タ の 開発 によ り Ma i hema t t ca と いう 簡易 言 語 を用 いる 様 にな っ た の で, こ の 言 語 を用 いる こ と に した‐. 2・1. 単振動の合成について. 単振動する質点の変位yと時間tとの関係は一般に t十 α) y = a cos (p と 表さ れる. た だ しa は振 幅 でP は角 速度 α は位 相 角 で ある , .. 一方の単振動で質点がちょう ど中央を通る時刻を時刻の基点に採れば2個の単振動はそれぞれ ×. = a coS pt. t十 α) y = b COS (p と 表 さ れる. こ れよ り2つ の 単 振 動 を合 成さ せる. こ の場 合 角 速 度 の比 を設 定 し 位 相 を 0 1/ 2〃, 3/ 4汀, , , , 4汀, 1/ 汀, の 5 通 り 与 え る.. 図1は, 角速度の比を1:1とし場合, 次のような式になる. x = a COS2 7 rt. y = b cos (2 力t十 α) 245.
(3) . 志 尾. 爾・桑 原 美 穂. 図2は, 角速度の比を2:1とした場合 X = a cos7 rt. y = b cos (2 汀t 十 α). 図3は, 角速度の比を3:1とした場合 x = a COS2/37 rt y = b cos (2 汀t 十 α). 図 4 は, 角 速 度の 比 を 2:3 と した 場 合 X. = a cos7 rt. 2/3汀t十 α) y = b cos (. 図5 は, 角速度の比を4:3とした場合 x = a cosl/2汀t. 2/ 3冗t十 α) y = b cos (. 図6は, 角速度の比を 5 : 3 と した 場 合 x ; a C0s2/57 rt. 2/ 3汀t十 α) y ニ b cos (. 図7は, 角速度の比を4:5とした場合 x ; a cosl/2冗t. 2/ 5汀t十 α) y = b cos (. 図8は, 角速度の比を6:5とした場合 X = a COSI/37 rt. 2/ 5汀t十 α) y = b cos (. 図 1 か ら図8 の 式 のα に は5 通 り の位 相 を代 入する‐. これらは合成運動の経路であり, このような図形をリサジュー図と言う ) を使 っ た 実 験 で も 作 る こ と が で きる。シ ンク ロス こ のリ サ ジ ュ ー 図 は シ ンク ロ ス コ ー プ ( Synchr os corp. コープの垂直・水平両端子に, 正弦波をもつものの中で比較的扱いやすい交流電流信号を加え, ブラウン管 t ras er: に 映 し出 す. こ の と き 2 つ の 交 流 の周 波 数の 間 に特別 な 関係 がな け れ ば, ブラ ウ ン管 にラス タ ー (. 細かい横線の縞模様) が発生するだけであるが, 相方の周波数の間に簡単な角速度の比整数倍であれ ば, き れいなり サ ジ ュ ー 図 を描く こ とが できる‐ 図9 の (a) ~ (g) は, シ ンク ロス コ ー プを使 っ て描 い た 図 である‐ ここ で, シ ンク ロス コー プを使 わ ず にコ ン ピュ ー タ を使 っ て 図 を描く こ と につ い ての利 点 をあ げて みる. ま ず, 道 具 を必 要 と しな い こ と, 次 に 図 を正 確 に描く こ と が出 来る こ とであ る. シ ンク ロス コー プを使う 実. 験では電圧が不安定であ れば正確な図を描くことは出来ない‐ また, 教師一人で多数の生徒を相手に授業を 246.
(4) . コンピュータによる物理実験. す る こ と が出 来る.. 2・2. 減衰振動について. 減衰振動とは, 振幅が時間 (一般には任意の独立変数) とともに減少して行く振動のこと 原因は抵抗や . 摩擦など振動を抑制する外力 (減衰力) が働く点 にあり 減衰力が速度に比例する場合には運動方程式は次 , の 形 を と る. 2 + 2 d /d 十 の 2 = o d2x/dt c‐ x t ox. (1) 減衰が小さく. c: 抵 抗 係 数. 2- 2> oと c/⑦。< 1 の 時 : の2= の。 して c. ,. 一 般 解 は,. ) Cos (の。 x = A exp (‐ct t 十 α). 振動系の角振動数がの。 (固有角振動数) からの に変化するほか 振幅が1週期 Tごとにex ( cT)倍だけ減 p‐ , る. cT = 27 rc/⑦を対数減数率と言う .. 同じ位相の点での速度も振幅と同じ比率で減っ ていく. 振幅は時. 間て =1/ 2c ごと に1/ e 倍 に減る。. ては減衰時定数. (2) 減 衰 が大 きく c/①。> 1 の 時:c 2- の。 2> 0 と して, 一 般解 は,. x = A exp. --( c+vマ コ 窄 )tl 十B. r p i-に十Jマ コ 窄) t. で表され, 運動は時間の始めを除き, 対数的な減少となる. (3) 臨 界 減 衰 の 場 合: c2- の。 2= 0 の と き で,. x = (A 十 Bt) exp (-ct). この抵抗状態のとき, 系はいつまでも振動を続 けることはなく時間的に最も早く平衡の位置に達する この . ため検流計そのほか鋭敏な振動を早く止めたり 船の横揺 れを止めたりするのに実用上よく利用される こ , . れを臨界制動と言う. このとき調整された抵抗のことを臨界制動の抵抗と言う . 過減衰 (過制動) とか, 過少減衰と言う言葉は振動系に対する制動抵抗が臨界制動の抵抗よりそれぞれ大き いか小さいかに応じて用いられる言葉であって 例えばわずかに過小減衰の状態 にしておくと 振動系は平 , , 衡の位置をわずかに過ぎてから平行位置 に戻る. 静止摩擦が予想される減衰振動では臨界制動の状態だと平 衡点の手前で停止する恐れがあるので わずかに過少減衰の状態 にして平衡点を早く見つけだすことが実用 , 上よく行われる.. 247.
(5) . 志 尾. 爾・桑 原 美 穂. このことを踏まえて, 次の問題を解く. 問題 単振動を行う物体に, 速さに比例する抵抗が作用する時の物体の運動を調べよ‐ そ れ ぞれの 値 は次の通 り である‐. 物体の質量:m ばね定数k:40[ N/m] 抵 抗係 数c:0.6 [ ] s‐1. 観察時間:10[ ] s ), 放 した と きの 振動 を調 べる. つ り 合い か ら0‐1 [m] の位 置 から 静 か に ( v=0. ばね定数kのばねの先端に結ばれた物体の運動方程式は, 2 2 m .d x/dt = - kx. となり, 単振動をする. この振動子が図のように水に浸されている場合には, 物体はその運動に伴い抵抗を 受ける‐ これは粘性抵抗と考えられ, ほぼその速さに比例する. したがって運動方程式は, 2 2 m .d x/dt = - kx -- 2mc.dx/dt. となる. こ れを書 き換 える と, 2 ニ ー- ① 2 -- 2 .d /dt d2x/dt c x 0x. の02. = k/m. -- -. ①. となる. このような物体の運動を実際に観察してみる と抵抗係数cが比較的小さいときは, 振動を繰り返し な が ら振 幅 が減 衰 して い き, つ い にはつ り 合 い の位 置 ( x= 0) で静 止 する‐ 抵 抗係 数 c が十 分大 き い 時 は. 振動せず, つり合いの位置に徐々に近づいていく‐ ここで①に上記の数値を代入する と, の。 == J 「 i E福. ] ニ ニ 6‐32 [s‐1. となる. この結果と上記の解説を照らし合わせると (1) の場合に当てはまる. よ っ て, 式 は次の よう になる.. x. ) × COS( 6.32 t + ) = A exp(-0.6 t. (A,6;積分定数). ) 0 この式より, 図を作成する. (図1 9[ ] になっ 0より, 減衰振動の周期 (Xが正から負への向き にx=0を通過する時刻間隔) Tは約0 s 図1 ‐9 248.
(6) . コンピュータによる物理実験. て いる こ とカミわ かる. こ れ は,. 27 r/①。. (の0 キ 6 ) ‐32. と 一 致す る.. 2・3. 交流回路による過渡現象について. 過渡現象とは, 一般に, ある安定状態から外の安定状態に移る際, ある時間経過的な変動を示す現象を言 っ. エ ネ ル ギー の 変 化や 移動 を伴う の で周 囲の 条件 に依存 する 現象 であ る. 電気 回 路 で はイ ン ダク タ ンス,. コンデンサーなどのエネルギー蓄積素子を含む場合, 開路, 閉路そのほかの変化で電圧や電流が不連続に 変 化 して 状 態 A か ら 状態 B に移る と き, 素 子 に蓄 え られ た エネ ル ギー の 出 入 り の ため 電圧, 電流 が 瞬 間 的 に. はBの状態に戻ることができず, 時間が遅れ, また過渡的な波形を生じる. 過渡状態における回路の電圧, 電流はキルヒホッフの法則による電圧, 電流の瞬時値の微分方程式を作りその解を求める. こ こ で キ ルヒホ ッ フ の 法則 につ い て 説 明 する‐ こ の法則 は, 複雑 な 回路網 の 電 圧 と 電流 の 分布 を 決定す る. のに有用な2つの法則を言う. 第一法則 :任意の点に流入する電流. の総和は0である. すなわち, 流入する電流は正, 流出する電流. は負 と して,. 3 工i= O. 第二法則:回路網内の任意の閉回路について, 一方の向きを正の向きとし, その閉回路を構成するi番目 の部 分 の 抵 抗 をRi, そ こ を流 れる 電流 を工i, その 部 分 にあ る 起 電力 をEiとす れ ば, 3Ri l i = !Ei. が成 り 立つ. こ れ らの 法則 は 工 i, E i をそ れ らの フ ーリ エ成 分 で Ri をイ ン ピー ダンス Z i で置き換え ,. れば, 交流でも成り立つ‐ 以上をふまえて次の問題を解く‐. 問題 右図のように起電力V の電池, 電気抵抗R, 静電容量Cのコンデンサを充電する (RC回路) .ス イ ッ チ S を 入 れて か ら, 時 間t が経 過 した 後 の 電流 工 と コ ン デ ンサ の 電 極 に蓄 え ら れる 電 荷 Q を 求 め よ.. それぞれの値は次の通りである. 起電力 V. :50 [V]. 電気抵抗R:5 [Q] 静電容量C:3 [ F ]← 観察時間t:50[ ] s. 電 気 抵 抗 R, 静 電 容 量C の コ ン デンサ, イ ン ダク タ ンス L の コイ ル か らなる 回 路 を そ れ ぞ れの 素 子 につ , い て 考え て みる と, 249.
(7) . 志 尾. 踊・桑 原 美 穂. V= R工. V = Q/C V . = - L ・d工/dt. 言う性質があることがわかっている. 以下ではこれらのすべてを直流又は交流起電力に接続したときの現 につ いて調 べ て みる.. キルヒホッフの法則と同じく, 電池の起電力Vは電気抵抗による電圧降下R 工 とコ ン デンサー の 電 極 間の /C と の和 に等 しいの で,. R 工 十Q/C =V. 電 流 の 定義 よ り, V( )= dQ( )/ dtなの で、 t t. R ・dQ/d t十 Q/C- V =0. の 微 分 方 程 式 の 一 般 解 は, V = 0 と した斎 次方 程 式 の 一般 解 Q( )= C. ‐ /RC) (こ こ で, C,は 積 分 t t exp( 、 ‘. ) と特殊解Q=CVの和. )=C, ‐ Q( t t/RC)C十 CV exp(. る. t = 0 で Q = 0, す な わち C. 十 C V =0 なの で ,. ); C V (1 -exp( ー Q( t t/RC)) -- -. ①. 表 せる. , の 式 を図11に示 す .. こ図1を片対数・両対数で表すと図1 2・図13の様に成る. 図3 の グラ フ は完 全 な直 線 に はな っ て いな い. の 理 由 は, 時間 t が大 きく なる と 電荷 の増 加 がゆ っ く り になる が, コ ン デンサ ー はあ る 一定 の 量 の 電 荷 し. ためることができないため, その最大蓄積量に近 づく と, 電荷の増加が次第に鈍くなる. そして, ある時 が過ぎるとそれ以上電荷は増えなくなるので, グラフの右端が直線にならない‐ た 電流 工 につ い ても ① から. 1( )= dQ/d ‐ /Rc) t t= V/R.exp( t.
(8) . コンピュータによる物理実験. こ の 式 を グラ フ 化す る と 図14の様 に 成る.. 同じく図3 を片 対 数・ 両 対 数 で表す と 図15・ 図16の様 に成る.. 2・4. 、て 原子核の崩壊につし. 素粒子や原子核の中で不安定なものは,常に一定の確率で2個あるいはそれ以上のほかの粒子に分裂する. これを素粒 子又は原子核の崩壊という. その崩壊の原因となる力が, 弱い相互作用であるときは特に弱い崩 壊 と い い, レ プ トン的崩 壊, 半 レ プ トン的崩 壊, 非 レ プトン的崩 壊 があ る. 例 え ば, 中性 子 は 陽子 電子 , , 反 ニ ュ ー トリ ノ に 分裂 する. 例 外 的 に光 子, ニ ュ ー トリ ノ, 電 子な どは崩 壊 しな い. ま た 陽子 は ほと ん ど崩. 壊しないとされている. 放射性原子核もまた放射線を放出することにより 原子核の状態を変えたり ほか , , の原子核に交換したりする. これを放射性崩壊, あるいは原子核の崩壊という. 崩壊の確率を示す定数を崩 壊定数スといい, 素粒子又は原子核の寿命に反比例する. 崩壊の仕方には数種類あることもあり その種類 , を崩壊様式, その比を分岐比と言う.. 問題 放射性元素には, 非常に速く崩壊して短時間で安定な核になるものもあれば ゆっくりと崩壊しい , つまでも放射線を出し続けるものもある. ある放射性核種が単位時間にある崩壊をする確率は その , 核種に固有のもの でこれを崩壊定数と呼びス で表す. 時間d tの間に崩壊する原 子の数dN は, そ の と き 存在 して いる 原 子 の 数N と d t に比例 する の で, dN = - スNd tと 表 せる. す な わち, dN/d tニ ー スN. ---. ①. が成 り 立 つ. t = 0 で の個 数を N。 と す れ ば こ の 方程 式 か らN( )= No )が得 ら れる. ① を -スt t exp( , グラ フ で示 しな さ い‐. 不安定な原子, 原子核や素粒子, 又はそれらの励起状態は, 時間の経過ととも に その数が崩壊 により減 , 少する. この問題で求めるグラフは崩壊曲線と呼ばれるものである そこで この問題を解くために数値を . , 決める. 崩 壊定数A. :0.2. 観 察 時 間t. :50 [ ] s. 原 子個 数 の初期 値 No :100 問 題 にも あ る よう に, ① にお い て t = 0 で の個 数 を N。 と す れ ば N( )= Noexp( ‐入t )と 言う 式 を得 る. t ,. この式に数値を代入する. N( )=100× exp(-0.2t t ) こ の式 を使 っ て① を グラ フ化 する と 図17の様 に成る . 251.
(9) . 志 尾. 踊・桑 原 美 穂. 図1を片対数で表す. (図1 8 ). 3. 謝辞. 本研究において, 終始懇篤な御指導をしてくださっ た北海道情報大学・情報学部講師 (北海道教育大学非 常勤講師) 伊藤公紀先生に心から御礼申し上げます‐. 参考文献 1, 近藤吉則, 太田成俊, 鈴木芳文, 田中洋介 共著. ”コンピュータによる物理学演習” 2, 本多光太郎 著. ”新制 物理学本論 (下)“ 3, 物理学辞典編集委員会 編集. ”物理学辞典”. 252.
(10) . コンピュータによる物理実験. 付. グラフ. 2 Pi 七 Paヱ割metricPユot[{CoS[ 2 Pi 七 ]′ Cos[ 1}′ {七′ 0′ Pi}′ ASPec亡Ratio -> Automatic ]. Paだa 2 Pi tL C。9【 ‘ n et±icp工ot[{co9[ 2 Pi 七 十 Pi/4 1}, {七′ 0′ Pi}′ AspectRatio -〉 Auto 1 1 1 atic 1. ‐Graphics-. 0 ′ 〃 / 〃:. 図1 (a). ん 6 = / / ’ ′ Paヱa 2 Pi 七 2 Pi 七 十 Pi/21}, 】, cos[ 血 Q etごicP1ot[{co8[ {七′ ○′ Pi}′ A8pecヒRatio -〉 Automatic ]. 伽′ に も a-ic-. 図1 (c). - ′ 5 〃 / / r Paヱ&me七ticP1ot[{COS[ 2 Pi 七 1′ COS[ 2 Pi 七 十 Pi ]}′ {七′ 0′ Pi}′ 為s pec七Ratio -> Automatic]. 1 ‐. 鋤′響 き焔 匝 岱-. 0 5 ‐ .. 0 5 .. 1. ′ ′″- ′ ′ ‐ Paza 21 i t], Cos[ 2 Pi t 十 3Pi/4 u ‘ n etzicP1ot[ {Cos[ ]}, {t′ 0′ Pi}′ As t メ Ratio ‐> Automatic ] pec. 吻せ き p i。 -. 図1 (d). Para Pi t 2 Pi と ヒ metticP1ot[{Cos[ ]′ Cos【 ]}′ {と′ 0′ Pi}′ AspecヒRatio ‐> Automatic ]. 1 ‐. 図1 (e). 図1 (b). ‐Graphics-. 伽響 き r a 。ic ‐. - 0 5 ‐. 図2 (a). 253.
(11) . 志 尾. Paza 1}′ ]′ Cos艶 Pi t 十 Pi/4 口 n eセヱicP1ot[{Cos【Pi t ] {t′ 0′ Pi}′ AspectRatio ‐> Automatic. ニ 伽ル ソ. 図2 (b). ‐Graphics-. , 2 Pi t 十 3Pi/41 }′ Pi t]′ Coa[ Pa上客metricP1ot[ {Cos[ ] {七′ ○′ Pi}′ ろSPec七Ratio -〉 Automatic. ひ ′ ′ ′ / の=. 図2 (d). -Graphics‐. / ′のに 〃 / 2 Pi 七 2 Pi 七 Paz式皿eヒヱicpュot[ )/31′ Cost ]}′ {Co8t( ] {t′ 0′ Pi}′ AspectRatio -> Automatic. ‐1. 0 ′“= ′ / 〃 -GヱaphicS-. 0 5 - .. 5 0 .. 爾・桑 原 美 穂. = ! ′ ′ こ え / 〃 二 2 Pi 七 十 Pi/2]}, Pa工8皿白七云icP1ot[ ]′ cost {COStpi t {七′ 0′ Pi}′ AspectRatio ‐> Automatic ]. ( ) ′ ’ 二 ′ / / 〃 ‐Graphics‐. / - “ /〃 ′ 2 Pi 七 十 Pi Paヱ互met土icPユot[{Cos[ Pi t 1}, 1′ Cos[ {t′ 0′ Pi}′ AspectRatio -> Automatic 1. 伽/ 7 /. ′ - ′ ′ ″ ′ ノ ′ 2 Pi 七 2 Pi 七 十 Pi/4 Paヱ盆me七ZicP1ot【{Cos[( )/3 1, Cos[ 1}, {七′ 0′ Pi}′ AspectRatio -〉 Automatic 1. -. 2 Pi 七 十 Pi/21}′ 2 Pi t )/31′ CoS[ P剥ご盆皿9七ZicP1ot[{COS[( ] {七′ ○′ Pi}′ 為βpec七Ratio -〉 Automatic. 254. 坤 鵡-. 図3 (C). 5 -0 .. ′ ′ ; ′ / / ‐Graphics-. 図 3 (b). ′ : ′ ″″″ 2 Pi 七 十 3Pi/4 2 Pi 七 1}′ )/31′ Cos[ P {Cos【( aはなmBヒヱicPュot[ 〕 {七′ 0′ Pi}′ ASPectRatio -〉 Automatic. -. 碗′ ′ ′ 三な. 図2 (e). ‐Graphics‐. 1. 図 3 (a). 図 2 (C). o ′ ′ ″ ′ 義. 5 -0 .. ・. 匝。-. 図3 (d).
(12) . コンピュータによる物理実験. ′ ′″ - ″ ′ ′ ‐ Pa℃ ‘icP1ot[{c。s[( 2 pi t 2 Pi t 十 Pi a ば n et )/3 ]′ co9[ ] }, {t′ o′ Pi}′ AspectRatio -〉 Automatic ]. ん ′″- ′ ′ Paヱa 2Pi t pi t じ E Q eヒギicP1ot[{c。8[ ]′ c。3[( )/3]}′ {t′ 0′ Pi}′ 為βPec七Ratio -> Automatic]. 0 ′〃コ ′ 〃 / ‐Graphics-. α′ ′旬ヱ ‐Graphics‐. 図 3 (e). 図 4 (a). Para metたicP1ot[ i {C。9[ Pi t 2Pi 七 l, Co8[( )/3 十 Pi/4 ]}, {t′ 0′ 2PiL 八s pec亡Ratio -> Automatic]. ′ = ″″′ ′ ′ 2Pi t PaZ盆matごicP1ot[{COB[ Pi t1′ COS[( )/3 十 Pi/2]}, {t′ 0′ 2Pi}′ A8 ] PecヒRatio -> Automatic. ひ ! i D ″ ′ / / ‐Graphics-. 5 om ′ ; / / ‐Graphics-. 図 4 (b). P&℃ 2Pi 七 a 皿 Q etヱicP1ott{co8[ Pi t ]′ coβ[( )/3 + 3Pi/4 1}, {t′ 0′ 2Pi}′ Aspec七Ratio -> Automatic ]. Paエa l n etticP1ot[{Co3[Pi t 2Pi 七 1r Cos[( )/3 + Pi 1}′ {t′ 0′ Pi}′ A8Pac七Ratio -> Automatic ]. 1 ‐. 0 i 2 腫 ′ ” ! ’ ‐Graphics-. 図 4 (d). = Z ′ ′ ” / ′ Pi t 2 Pi 七 )/3 ]}, P )/2], Cost( a u ご却Q et±icP1ot[{c。s[( {七 ′ 0′ 2Pi}′ AgPec七Ratio -> Automatic〕. -. ーGraphics‐. 5 -0 .. 0 5 .. ひ i J - ′ 〃 / / ‐Graphics‐. 図 4 (e). ル “ ′ ″′ ′ Paramet土icP1ot[{co3[( Pi t 2 Pi 七 )/2 ]′ Cos[( )/3 十 pi/4 1}′ {七′ 0′ 4PiL AspectRみ七io -> Automatic ]. ‐. 図5 (a). 図 4 (C). o ′ ″ / せる 賊 匝 岱-. 0 5 .. 図 5 (b). 255.
(13) . 爾・桑 原 美 穂. 志 尾. ! / ; 〃櫛声= /F ″ / 2 Pi t Pi t 2 Pi t ], c。3[( )/2 pa )/3 十 3Pi/4]}r Fi t )/3 十 Pi/2〕}f )/21r c。8[( コ ヒ8 = Q et≠icP1ot〔{c。9[( Paヱa じ = q atzicplot[{c。3t( ] {七′ 0′ 4Pi}′ AsPec七Ratio -〉 AutomatiC 1 【七, 0′ 4Pi}′ A8PecじRatio -> Automatic. 0 i ; ′ / / 〃 -Graphics-. 図 5 (C). ′ ′ド ″″ 2 Pi 七 )/3 十 Pi]}, Pi t Pa )/21, cos【( u ヒ細Q etricp.ot”co9〔( ] {七′ 0′ 2Pi}′ 為SPec七Ratio -> Automatic. 0可 -G工aphics-. 図 5 (e). o ” ; ′ “ / / -Graphics”. 図 5 (d). = ル ′ ′″′ ′ 2 Pi t 2 Pi 七 Pat如Q )/5], co3t( }/3]}, et{icP1ot[{co3[( 1 (七 ′ 0′ 4Pi}′ 為為pectRatio -> Automatic. 0 ′ ′F ″ 〃 -Graphics-. 図 6 (a). : / ′ = j ! /“ / 〃 / ′ / ; ′ ′ 2 Pi t 2 Pi t )/3 十 Pi/21}′ )/51′ cos[( 2 Pi 七 Pュot[{cos[( 2 Pi 七 Para Pa士a )/51′ Cos[( )/3 十 Pi/41}′ g o o at宏iC u l n e七云icP1ot[{Coa[( {七′ 0′ 5Pi}′ △βPeC亡Ratio -> Automatic] ] {七′ 0′ 8Pi}′ ASPectRatio -〉 Automatic. 【 ひ ′ 〃 /“/ ‐Graphics-. 図 6 (b). = 伽カタ / -Graphics“. 図 6 (C). ′ 2 ′ /に d ′ ′ / か ′ / /; ]}′ 2 Pi 七 )/3 十 Pi 2 Pi 七 2 Pi 七 )/51′ Cos[( }/3 十 3Pi/41}′ 2 Pi 七 )/51r Coa[( ticP1ot[(Cos【( Para g = Q e七 {Coat( P鑓【 Qt≠icpュot[ a g = △ 1 1 {七′ 0′ 4Pi}′ Aspec七Ratio -〉 Automatic {七′ o′ 6Pi}′ A8pec七Ratio -〉 Automatic. 5 .. 0申 年 ‐Graphics-. 256. .. 図 6 (d). -. - ◇ ’ ′ / 〃 〃 -Graphics-. 5 -.. 0 5 ‐. 1. 図 6 (e).
(14) . コンピュータによる物理実験. Paza Pi t u met≠icP1ot[{Cos[( 2Pi t )/21, Co8[( )/5]}′ {t′ 0′ 4Pi}′ AspectRatio -> Automatic ]. Para u metricP工ot〔{Cos〔( Pi t 2Pi セ }/2 1, Cos[( )/5 十 Pi/4 ]}, {七′ 0′ 7PIL 入朝P actRatio -〉 Aut o皿atic1. 0 ′ 〃 力βた ‐Graphics‐. ‐Graphics-. 図7 (a). 図7 (b). Paにa I n GヒニicPュot[{Cos[(Pi t )/21′ cost(2Pi t )/5 十 Pi/2 1L {t′ 。′ 7Pi}′ A8pec七Ratio 一〉 Automatic }. ′ ‘″ ; ′ ′ ′ ′ Pa 2Pi t Pi t L コ ご a u 【 n etにicP1ot[(co8[( )/2], cog[( )/5 + 3Pi/41}, 7Pi}′ Aspec七Ratio -> Automatic1 {七′ 0′‐. ‐Graphics-. 0 6 J ′ q ′ ′ / / ‐Graphics‐. 図7 (C). ′ 6 5 ′ ′ / ムヒ P a L コ ヒ亙metricplot〔 Pi t {c。s[( 2Pi t )/2], cos[( }/5 十 Pi]}′ {t′ 0′ 4Pi}′ AspectRatio -> Automatic 】. -. -G[aphics-. 図7 (d). ′ = ′″ ″ ′ Paヱ副n ricplot[{cos[( 2 Pi t e七 )/6 ]′ co8[( 2 Pi 七 )/5“′ {七′ 0′ 8Pi}′ AspectRatio -> Automatic ]. 0 - 5 .. 図7 (e). ひ ′ = ′ / ′ ′ ノ ‐Graphics-. 図8 (a). ′ 7 ′ ′ ′ ′ー Pa土包metヱicP1ot[{Cos[( 2 Pi 七 2 Pi 七 )/6 ]′ Cos[( )/5 十 Pi/4 1}′ Para ma亡云icplot[{COS〔( 2 Pi 七 J 2 Pi 七 )/6 ]′ Co9[( }/5 十 Pi/21}, {七′ 0′ .opi}′ ASpec七Ratio -〉 Automatic 1 {七′ 0′ lopi}′ Aspec七Ratio -> Automatic ]. 7 = 0 ′ ′ ′ ′ ′ -Gにaphics-. 図8 (b). ‐Graphics‐. 図8 (C). 257.
(15) . 志 尾. 瀬・桑 原 美 穂. ‘ ′mムー ′ ′ Pi ]}′ 2 Pi 七 )/5 十′ )/6 ]′ cos〔( 2 Pi 七 Paヱ8 etricpl0七【{Cos[( t n 2 Pi t 2 Pi t )/5 + 3Pi/41}′ Para皿etzicplot【 )/6 1′ Cost( {Cos[( ic 七 A t 服 1 ] > o i - u t R a t o P i △ e c 0 8 } s 七 P { ′ ′ ′ 1 {七′ 0′ 1OPi}′ 為spec七Ratio -〉 AU七omatic. 0 ′ /可= 〃 -Graphics‐. 図8 (d). 図9 (a). 0 ′ ′ / ′ ′ 2& ,c一 aph. 図8 (e). 図9 (b). 図 図9 (C). 図9 (d). 国 図9 (e) 258. 図9 (f).
(16) . . コンピュータによる物理実験. ′ ′ ″ ′ ′に P1ot〔 -0‐6 七 E 6.32 七 { -0‐6 t 1 Coβ[ ]′ E葦P[ ー0.6 七 1′ -8聾P[ メ ( I P[ 1}r ’ ’ 1 T beユ ー〉{ {七′ ○′ 10}′ 為 に 丈 e3La 七 ′ ”×”}′ PヱotR 臣nge -〉為ユ1 1. ′ ′′ ′ ′ ′ノ ′▲′ r 1 ′ , , , 一 ノ. /. \. r /. ’ ′ ’ { ′ ′ ′ ′ ′ ‐Gr aphics-. 図9 (g). 図10. / 5 〃 / ′ PI0七[150( 1 - E) ; - p[-t/151)′ (七′ 0′ 50}′ ▼ . . A*esLabeユ ー〉 {”七 Q”}1 ′▼. Lo9P1ot[C ★ V ★ (1 - E }])′ {t′ 0‐001′ 50}′ ゴ ー や[‐t/(R ★ c Pユ0七Range ‐> AII′ ▼ ▼ A*e8La d bel ‐〉 {”t”′ ”Q }]. +ロココ ′ 1 0. 20. 3 0. 40. 5 0. 0〃 ′ !〃に ”Graphics‐. l o・. 20. 30. 4 0. 5 0. 30. 40. 5 0. 物” /“← ‐Gtaphics‐. 1 図1. 図12. ′ / O / 〃 ゾド Lo9Lo9P1ot[c ★ V ★ ( 1 ‐ E) -t/( R ★c )]), {tr o.001′ 50}′ ; p[ P1ot ゞ Range -〉 Aエエ′ ▼ ’ ‐ AメesLabeユ ー> { 七”′ ▼ Q”}]. Pユot[1O E文p[一七/ュ51′ {七′ ○′ 50}′ A*eaLabe1 ‐> {”七”′ ”工”}] l o. 100 ・ l o・. 0 I ・ 0 1 ・0 0 00 1 ・. 0 0 1 ・. 0 1 ・. 0 0 に ′ ′ ″ ′ ′ ‐Gヱaphics‐. 図13. 1. 1 0 ・. 10. 20. ‐Graphics-. 図14. 259.
(17) . 爾・桑 原 美 穂. 志 尾. ′ ′〃r 〃 / V ★ EXP[-七/(R ★ c Lo9Lo9Pュot[( )])/Rr {七′ 0-001′ 50}′ PュO七Range -〉 Aエー′ ’ ” ” ▼ ” 員 コ ‘eaLabeユ ー〉 { 七 ′ 工 }】. )】)/R, {tr o.001′ 50}′ V ★E Lo9P1ot[( コ 一 平[-t/(R ★ c PユotRange -〉 AII′ ” ▼ ▼ C I DGユ ー> {”t A*98La ′ ”工 }]. 0. 20. 1 0. 30. 4 0. 0 1 ・. 5 0. 1 0. 図1 6. 図15. 7 ′ ′ ’ / た; Lo9P1ot[10O E聾P[-0.2 t 1′ {七′ 0′ 50}′ ] AXesLabel -> {”七”′ ”N”}. タ / / ソド ′ ′ P1ot【10O E;p[-OJ2 t]′ {ヒ′ 0′ 50}, A×esLabel -> {”t”′ ”N”}]. 1 0. 20. 30. 40. 0. 5 0. 0 1. 20. ひ ′ /〃= 〃 ‐Graphics‐. ひ〃 タ ′ / ソニ ‐Graphics‐. 図17. 260. 1. = の′ ′ ′~′ -G【aphics‐. ‐ 0 ′ 2 ′ / / 〃 ‐Graphics‐. 図18. ] 0. 4 0. 0 5.
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