科学者と技術者のための物理学

引用

Tipler, P. A., & Mosca, G. (2007). Physics for Scientists and Engineers, Extended Version (6th ed.). W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-8964-2

章概要

第1章 – 測定とベクトル

物理学の性質、単位、次元解析、有効数字、ベクトルを紹介。物理量記述の数学的基礎を提供。

第2章 – 一次元運動

変位、速度、加速度、一定加速度下での運動をカバー。問題解決戦略を紹介し、線形加速器を応用として使用。

第3章 – 二次元・三次元運動

投射体運動、円運動、変位・速度・加速度のベクトル的方法を議論。運動解析をナビゲーションとGPSに応用。

第4章 – ニュートンの法則

ニュートンの運動三法則、自由体図、重力・接触力・張力などの力を含む応用を提示。

第5章 – ニュートンの法則の追加応用

摩擦、抗力、曲線経路上の運動、質量中心、数値積分法を探求。

第6章 – 仕事と運動エネルギー

仕事、運動エネルギー、仕事・エネルギー定理、曲線運動と質量中心系への応用を紹介。

第7章 – エネルギー保存

位置エネルギー、機械的エネルギー保存、エネルギー量子化を議論。質量・エネルギー等価性を紹介。

第8章 – 線運動量保存

運動量保存、衝突、ロケット推進、パルス爆震エンジンなどの応用をカバー。

第9章 – 回転

角速度、角加速度、回転運動エネルギー、慣性モーメントを説明。ニュートンの第二法則を回転系に応用。

第10章 – 角運動量

トルク、角運動量保存、回転系における量子化を解析。

R章 – 特殊相対性理論

アインシュタインの仮説、時間の遅れ、長さの収縮、同時性、相対論的運動量とエネルギーを紹介。

第11章 – 重力

ケプラーの法則、ニュートンの万有引力の法則、重力位置エネルギーと場をカバー。重力レンズを応用として議論。

第12章 – 静的平衡と弾性

平衡条件、重心、安定性、応力、ひずみを探求。

第13章 – 流体

密度、圧力、浮力、流体力学、空気力学の応用を紹介。

第14章 – 振動

単振動、振動におけるエネルギー、減衰、共鳴、実世界の振動系をカバー。

第15章 – 進行波

波動、周期波、三次元波、障壁、ドップラー効果を説明。

第16章 – 重ね合わせと定常波

波の重ね合わせ、定常波、共鳴、音響応用を解析。

第17章 – 温度と気体分子運動論

温度目盛、理想気体の法則、分子運動論を紹介。微視的・巨視的記述を連結。

第18章 – 熱と熱力学第一法則

熱容量、相変化、ジュールの実験、内部エネルギー、PV図を議論。

第19章 – 熱力学第二法則

熱機関、冷凍機、カルノー循環、エントロピー、熱力学の統計的解釈を提示。

第20章 – 熱的性質と過程

熱膨張、ファンデルワールス気体、相図、熱移動メカニズムを探求。

第21章 – 電場I：離散電荷分布

クーロンの法則、点電荷からの電場、電場線をカバー。

第22章 – 電場II：連続電荷分布

ガウスの法則、対称性を用いた場の計算、導体の性質を説明。

第23章 – 電位

電位エネルギー、等電位面、電位の計算を議論。

第24章 – 静電容量

コンデンサー、エネルギー貯蔵、誘電体を説明。

第25章 – 電流と直流回路

電流、抵抗、オームの法則、回路解析、RC回路をカバー。

第26章 – 磁場

電荷と電流に対する磁力、トルク、ホール効果を探求。

第27章 – 磁場の源

ビオ・サバールの法則、アンペールの法則、物質中の磁性を紹介。

第28章 – 磁気誘導

ファラデーの法則、レンツの法則、誘導電動力、インダクタンス、超導体をカバー。

第29章 – 交流回路

交流回路、フェーザー、RLC回路、変圧器、電力網を議論。

第30章 – マクスウェル方程式と電磁波

マクスウェル方程式により電気と磁気を統一し、電磁波方程式を導出。

第31章 – 光の性質

光の波動・粒子性質、反射、屈折、偏光、スペクトルを解析。

第32章 – 光学像

反射鏡、レンズ、光学機器、収差をカバー。

第33章 – 干渉と回折

コヒーレンス、薄膜干渉、回折、ホログラフィを議論。

第34章 – 波動・粒子二重性と量子物理学

光子、物質波、量子化、箱の中の粒子モデルを紹介。

第35章 – シュレーディンガー方程式の応用

ポテンシャル井戸、調和振動子、トンネル効果、水素様原子をカバー。

第36章 – 原子

ボーアモデル、原子の量子論、スピン軌道結合、原子スペクトルを探求。

第37章 – 分子

分子結合、二原子分子、分子スペクトルを紹介。

第38章 – 固体

結晶構造、伝導、バンド理論、半導体、超導をカバー。

第39章 – 相対性理論

ローレンツ変換、速度合成、相対論的エネルギー、一般相対性理論でアインシュタイン理論を再訪。

第40章 – 核物理学

核の性質、放射性、核反応、核分裂、核融合を説明。

第41章 – 素粒子と宇宙

クォーク、レプトン、保存則、標準モデル、宇宙論をカバー。

付録

SI単位、換算係数、数値データ、周期表、数学チュートリアル、選択解答を提供。

重要概念

物理学の基礎

• 測定、モデル、実験に基づく自然の定量的研究としての物理学。
• 物理系記述における単位、次元解析、ベクトルの役割。

力学

• 運動学：一次元、二次元、三次元運動。
• 動力学：ニュートンの運動法則、力、自由体図。
• 仕事、エネルギー、機械的エネルギー保存。
• 運動量、衝撃、衝突、ロケット推進。
• 回転運動：トルク、角運動量、回転動力学。
• 重力：ニュートンの法則、ケプラーの法則、相対論的補正。

相対性理論

• 特殊相対性理論：仮説、時間の遅れ、長さの収縮、同時性、相対論的エネルギーと運動量。
• 一般相対性理論（入門概念）：重力時間の遅れ、時空の曲率。

平衡、流体、弾性

• 静的平衡条件と構造の安定性。
• 材料における応力、ひずみ、弾性。
• 流体静力学：浮力、パスカルの原理、アルキメデスの法則。
• 流体力学：ベルヌーイ方程式、粘性、乱流。

振動と波動

• 単振動、減衰、共鳴。
• 進行波と定常波、干渉、うなり。
• 音波、強度、ドップラー効果、音響学。

熱力学

• 気体分子運動論と温度の分子論的解釈。
• 熱移動：伝導、対流、放射。
• 熱力学第一法則：熱過程におけるエネルギー保存。
• 熱力学第二法則：エントロピー、カルノー循環、不可逆性。

電気と磁気

• 静電学：クーロンの法則、電場、ガウスの法則、電位。
• 静電容量、誘電材料、貯蔵エネルギー。
• 電流、抵抗、オームの法則、回路、RC過渡現象。
• 磁気学：磁場、力、ビオ・サバールの法則、アンペールの法則。
• 電磁誘導：ファラデー・レンツの法則、インダクタンス、AC回路。
• マクスウェル方程式と電磁波方程式。

光学

• 波動光学：干渉、回折、偏光。
• 幾何光学：反射、屈折、レンズ、光学機器。
• 光の二重性：光子と波動・粒子二重性。

量子物理学

• 初期量子論：黒体放射、光電効果、コンプトン散乱。
• シュレーディンガー方程式と量子状態。
• 量子モデル：井戸、振動子、トンネル効果、水素原子。
• 原子構造：スペクトル、スピン、精密構造。

分子・固体物理学

• 分子結合と振動・回転スペクトル。
• 結晶構造、バンド理論、導体、半導体、超導体。

核・素粒子物理学

• 核構造、放射性、核分裂、核融合。
• 素粒子、クォーク、レプトン、標準モデル。
• 宇宙論：初期宇宙、保存則、基本相互作用。

批判的分析

テキストの強み

• 包括的カバレッジ：古典力学、電磁気学、熱力学、光学、量子物理学、相対性理論、現代的トピックを一巻でカバー。
• 問題解決指向：異なる難易度レベルの多様な問題を提供し、定量的スキルを強調。
• 教育的特徴：実例、概念チェックポイント、実世界応用が学生の関与を促進。
• 現代物理学の統合：量子力学、相対性理論、核物理学、宇宙論を含み、拡張学部カリキュラムに適合。
• 柔軟性：拡張版により異なるコース構成に内容を適応可能。

制限と課題

• 数学的強度：強固な微積分スキルを要求；数学に自信のない学生には困難。
• 提示の密度：説明が時として簡潔で、より深い理解には補完的指導や参考資料が必要。
• 概念バランス：Hewittの『概念物理学』などのテキストと比較して、概念開発より計算に重点。
• 分量の大きさ：拡張版は大きく重く、単一コーステキストとしての魅力を制限する可能性。

カリキュラムでの位置付け

• 主要テキスト：科学・工学専攻向け微積分基礎入門物理コースで広く採用。
• 高等研究準備：力学、電磁気学、量子物理学、熱力学の専門コースの基礎を構築。
• 参考役割：問題解決技術と物理定数の長期参考として機能。

総合評価

Tipler & Moscaの『科学者と技術者のための物理学』は最も尊敬される微積分基礎物理テキストの一つであり続けている。その幅広い範囲、厳密な問題セット、現代物理学の統合により、学部教育にとって非常に価値がある。数学的前提条件において要求が高く、時として提示が密集しているが、高等科学・工学研究に必要なツールと知識を学生に装備させることに成功している。

実世界応用と例

力学

• ニュートンの法則と運動量保存で説明される車両安全システム（シートベルト、エアバッグ）。
• 衛星、GPS、宇宙探査に応用される軌道力学。
• 静的平衡とトルク解析に基づく構造工学。

相対性理論

• 高速粒子実験で検証される時間の遅れと長さの収縮。
• 正確なナビゲーションのためにGPS衛星に必要な相対論的補正。
• 天体物理学応用としての重力レンズとブラックホール物理学。

流体と振動

• ベルヌーイの原理に基づく飛行機・自動車の空気力学。
• パスカルの原理を使用する油圧システム（ブレーキ、リフト）。
• 楽器と地震工学に応用される共鳴現象。

熱力学

• カルノー循環でモデル化される熱機関と冷凍機。
• 発電所と再生可能エネルギーシステムに応用される熱力学原理。
• 気候科学と情報理論に応用されるエントロピー概念。

電気と磁気

• 電子工学、通信、配電に使用される回路理論。
• 発電機、変圧器、ワイヤレス充電を動かす電磁誘導。
• 磁場と核スピンに基づくMRI技術。

光学

• カメラ、顕微鏡、望遠鏡のレンズ。
• 薄膜コーティングとホログラフィで使用される光学干渉。
• X線結晶学と分光学に応用される回折原理。

量子物理学

• 太陽電池の基礎を形成する光電効果。
• 半導体デバイスと核融合における量子トンネル効果。
• 医学、通信、製造に応用されるレーザー技術。

固体物理学

• 半導体、トランジスタ、集積回路を説明するバンド理論。
• 磁気浮上列車、MRI機器、粒子加速器に応用される超導体。

核・素粒子物理学

• 原子炉を動かす核分裂と持続可能エネルギーのための核融合研究。
• 核崩壊を使用する医学の放射線療法。
• 基礎物理学を探求し技術進歩を可能にする粒子加速器（CERN、フェルミ研究所）。

宇宙論

• 宇宙の理解を形作るビッグバン理論と宇宙マイクロ波背景放射。
• 天体物理過程とダークマター・ダークエネルギー研究に応用される保存則。