物理 学年末範囲
レンズ。
・焦点とか焦点距離って大切だよ。
・ものを凸レンズを通してスクリーンに映すと上下左右反転で色も映るよ。
・レンズを紙で一部覆うと像が完全に映るけれど暗くなるよ。
・ものをレンズに近づける(焦点の手前まで)
→実像はレンズの遠くに大きくできる。
遠ざけると実像は焦点の近くに小さくできるよ。
・遠くのものを大きく映せるのは焦点距離の大きいレンズ。
・レンズとスクリーンの距離を固定すると焦点距離が小さいほうが大きな像ができるよ。
・物体とスクリーンの距離の関係。
距離>焦点距離の4倍…レンズを動かすと2箇所の位置で実像ができる。
距離=焦点距離の4倍…焦点距離の2倍の位置でのみ実像を作れる。
距離<焦点距離の4倍…虚像しかできない。
・レンズの式。
(1/a)±(1/b)=±(1/f) 倍率は b/a 倍だよ。
最初の±…実像の場合プラス、虚像の場合マイナス。
次のやつ…凸レンズの場合プラス、凹レンズの場合マイナス。
なお凹レンズの場合は実像はできない。
・焦点距離は曲率半径が短いほど小さいよ。
・望遠鏡…対物レンズの焦点を長く、接眼レンズの焦点を短くすると大きく見える。
顕微鏡…対物レンズの焦点を短く、接眼レンズの焦点も短くすると大きく見える。
・凹レンズだと虚像は小さく見える。眼鏡を参考にするといいかと。
・作図方法は覚えとけ。
レンズと平行の光…焦点を通る。
焦点を通る光…レンズを通った後軸に平行に進む。
レンズの中心を通る光…屈折しない。
全てのものは帯電するよ。
帯電…物体が電気を帯びること。
帯電してない→電気的に中性である。
同じ電荷を帯びている→斥力が起こる。
違う電荷を帯びている→引力が起こる。
とりあえずプラスに帯電しやすいものから。大雑把に覚えとく。
→毛皮、象牙、羽毛、水晶、ガラス、紙、蝋、硫黄、エボナイト。
たとえば毛皮でガラス擦ると毛皮がプラス、ガラスがマイナスに帯電するのです。
静電誘導…金属で起きる。 自由電子の移動による。
誘電分極…非金属で起きる。原子内の電子に偏りが生じることによる。
※近づけた帯電体と逆の電荷に帯電し、それによって引力が生じる。
箔検電器…静電誘導を利用した仕組み。
基本的には帯電体を近づけると箔が開く。
ただし既に帯電しているものに逆の電荷を近づけると箔は閉じる。
箔検電器を帯電させてみよう。
T帯電体を金属板にこすりつけてみる。
→帯電体と金属板の電荷が相殺される
→帯電体と同じ電荷に帯電
U帯電体を近づけたまま金属板に触れ、
指を離してから帯電体を遠ざける
→触れたことで箔の電荷が逃げて箔が閉じる
→離すと帯電体と逆の電荷に帯電
人体は電気を通しやすいから触れば電荷は逃げるよ。
アース(接地)についても原理は同じ。
金属は電気を通すよね。
まあ金の折り紙とかはコーティングしてあるから金属部を出さないと通さないけど。
だからねー、金属のって「石墨以外の電気をよく通すもの」なんだってさ。
自由電子いっぱいいるやつら。
酸化すると自由電子が束縛電子になって電気を通さなくなるんだってさ。
ついでに電池程度だと水道水や食塩水は電気を通さないよ。抵抗が大きすぎて。
家庭用電源とかならイオンに別れてるやつでも電気を通すんだって。
実際問題電子が流れてるのが電流なんだけど。
だから−から+に流れてるんだけど。
色々と面倒だから+から−に+の電荷を持つやつが流れてるとかいう定義は変えないんだって。
それなら作った法則使えて便利だよね、って言ってた。
クーロンの法則
…二つの帯電体の間に働く力の大きさは、
それぞれの電気量に比例し、距離の二乗に反比例する。
→F=kQ1Q2/r^2 Q1,Q2が同種…斥力 異種…引力
比例定数の単位は[N*m^2/c^2]だよ。
全ての帯電体の電気量(電荷)は電気素量(電子(陽子)一個分の電気量)
e=1.6*10^-19[C]の整数倍となっている。
電気力線の接線方向が電場(クーロン力)の方向となる。
電場の強さ=その場所に置いた試験電荷が受ける力の大きさ→クーロンの法則
=その場所での電気力線の(面積)密度→ガウスの定理
※もちろん面積は三次元として球の表面積とか求めろ。
電場Eに置いた電荷q[C]が受ける力→F=qE
Q[C]の点電荷が距離r[m]の所に作る電場の強さ→E=kQ/r^2[N/C]
電場はベクトル的に合成できるよ。
ガウスの定理
電場E[N/C]では、電気力線はE[本/m]と考える
電荷Q[C]から出ている電気力線の本数
→N=ES=4πkQ→E(単位面積あたりの電気力線の本数)=N/S
一様な電場では、
静電気力による位置エネルギー:Up=QEd=QV=W
電位(差)=+1[C]あたりの位置エネルギー(の差):V=Ed
単位:1[V]=1[J/C]
電位の高低は正の電荷にとってなのですよ。
位置Aでの電荷qの位置エネルギー
=無限遠からA点まで電荷qを運ぶ仕事
→Up=kqQ/r
点電荷が-qのとき、Up=-kqQ/r
電場はそれの傾き。→電荷qの場合、E=dV/dr=-kQ/r^2
・電磁波っつーものがあるよ。携帯とか。
・当たり前だが非金属で携帯くるもうと鳴るね。→電磁波は非金属をすり抜けるよ。
・アルミホイルでくるむと鳴らないね。
→金網とかでも鳴らないよ。
→静電誘導が金属の表面だけに起こるからだって。静電遮蔽って言うんだって。
・電荷を持った粒子が加速度が生じる運動をするときに電磁波を出すそうだ。
・共振するから混線とかそこまでしないんだよ。
→どうやらラジオの混線とかはドップラー効果の影響だそうだがこれは出ない。
・1[A]=1[s]間に1[C]の電荷が通過する時の電流の大きさ。1[C/s]
・電場が広がる速さ=光(電磁波)の速さ
・抵抗:金属線の長さに比例、太さに反比例。
・金属の種類によって抵抗の大きさが違うよ。
R[Ω]=ρ×l/S ρ:抵抗率[Ω・m]
・オームの法則。V[V]=R[Ω]×I[A]
・p.348。
・合成抵抗 直列:R=R1+R2+・・・
並列:1/R=1/R1+1/R2+・・・(R=R1R2/R1+R2)
・合成電位 直列:V=V1+V2+・・・
・合成電流 並列:I=I1+I2+・・・
・電流計(直列につなぐよ)
出来るだけ電流に影響を与えないように内部抵抗が小さい。
分流器をつなげばより多くの電流をはかれるよ。
規定のa倍の電流はかりたいならRが(1/a-1)倍のを並列につなごう。
・電圧計(並列につなぐよ)
出来るだけ電圧に影響を与えないように内部抵抗が大きい。
倍率器をつなげばより多くの電圧をはかれるよ。
規定のa倍の電流はかりたいならRがa倍のを直列につなぎましょう。
・メートルブリッジ(ホイットストーンブリッジ)
固定抵抗器と可変抵抗器の組み合わせで未知の抵抗の値を測るもの。
利点→電流や電圧の値なくてもいいから誤差が小さい。
・電池にも内部抵抗があるのだよ。
端子電圧=起電力−内部抵抗×電流。 V=E-rI。
・キルヒホッフの法則。
第一法則:回路の分岐点に流れ込む電流の和はそこから流れ出る電流の和に等しい。
第二法則:閉じた回路のある点(0[V])を出発して電位の変化を加え合わせていくと、
元の場所で0[V]に戻る。
・電流の流れる向き→電位の高い方から低い方へ。
つまるところ電流にそって進むと電圧降下が起こる。
・金属は温度を上げると抵抗も上がるよ。
ρ=ρ0(1+at)、R=R0(1+at)
a:温度係数。単位は[/℃]とか[/K]とかそのあたり。
ρ0とかR0は0℃のときの抵抗率とか抵抗。
・豆電球のとかの特性曲線出てきたら。
→キルヒホッフの第二法則から式を作ってグラフの交点を出しましょう。
・電流が多いほど電池の消耗は早くなるよ。
・電力の法則。…電力=電位差×電流。P=V×I
P[V*A]=[J/C]*[C/s]=[J/s]=[W]
・消費電力が大きい金属線は発熱量も多いよ。
電位差等しい→抵抗が小さいほうの電流が大きい→抵抗が小さいほうがより発熱
電流等しい→抵抗が大きいほうの電位差が大きい→抵抗が大きいほうがより発熱
・コンデンサー。
金属板(極板とかいうよ)2枚を向かい合わせると電位差が生じ電気が蓄えられる。
たとえば電池につなげば電位差がたまるわけだ。
その状態でほかのものにつなぐとその電位差が消費されるわけだ。
・コンデンサーな式。
極板からはガウスの定理よりN=4πkQ本の電気力線が出てるわけで。
電場の強さE=N/S=4πkQ/S。
んでV=Edに代入→V=4πkQ/S×d→Q=1/4πk×S/d×Vとなり、
そのへんのごちゃごちゃしたものをCとあらわすとQ=CVとあらわせる。
C=1/4πk×S/dをC=εS/dとあらわしてみる。εは誘電率っていうんだよ。
ε=1/4πk→k=1/4πεとか。これを使うとクーロンの法則とガウスの法則とか変えられるよ。
F=1/4πε×Q1Q2/r^2とか。N=Q/εとかみたいに。
・不導体(絶縁体)をはさむ…誘電分極して逆向きの電気力線ができる。
電源につなぐ (V不変)→Cが大きく
電源につながない(Q不変)→Vが小さく→Cが大きく
こんな感じでCを大きくするから誘電体っていうんだよ。
比誘電率をεrとすると、εr=ε/ε0となり、C=εr×C0となるよ。
真空の場合のεr倍になるんだね。
・コンデンサーの合成電気容量…抵抗の逆になるよ。
並列:C=C1+C2+… (V一定なため面積に比例)
直列:1/C=1/C1+1/C2+・・・(C=C1C2/C1+C2)(静電誘導が起こりdが大きくなる)
・部分的に誘導体をはさんでみよう→p.384
・金属板入れたら静電誘導起こるからdが小さくなるんだよ。