物理を学ぶ
対話型シミュレーションでアイデアを試すリンクを含む短い概念記事。
概念記事
放物運動
ボールを投げたり、サッカーボールを空中に蹴り上げたり、大砲を撃ったりすると、その結果生じる軌道は物理学の中でも最もよく知られた形の一つ、放物線になる。放物運動は、物体の運動を完全に独立した2つの要素に分けることでこれを分析する——一定の水平速度と、重力によって絶えず下向きに加速される鉛直速度である。どちらの要素も互いのことを何も知らない。これらを別々に扱い、その結果を後で組み合わせることこそが、基本的な運動学だけを使って、発射体がどれだけ遠くまで進むか、どれだけの時間空中にとどまるか、どれだけの高さまで上がるかを正確に予測することを可能にしている。
オームの法則
単純な懐中電灯からスマートフォンの充電器に至るまで、あなたが組み立てるあらゆる回路は、3つの量を結びつける同じ三つの量に基づいている。電池がどれだけ強く押し出すか(電圧)、その結果としてどれだけの電荷が流れるか(電流)、そして経路上の部品がその流れにどれだけ強く抵抗するか(抵抗)である。オーム性の部品については、オームの法則、V = IR は、これらを単純な算数だけで回路の振る舞いを予測できるほど単純な比例関係で結びつけており、直列・並列回路網から実際の電子機器に使われる交流回路に至るまで、その後に続くより高度な回路解析技術すべての基礎となっている。
光電効果
金属表面に光を当てると、適切な条件下では電子が飛び出す——古典物理学がこれを説明しようとした際、頑固なまでに奇妙な結果だった。19世紀の波動理論は、より弱い光でも十分な時間をかけてエネルギーを蓄積すれば、遅くはなるものの電子を放出するはずだと予測していた。実際の実験結果はその逆を示した。鋭い限界振動数を下回ると、どれほど強度を上げても、どれほど長く待っても電子は一つも生じない一方で、その振動数を上回るとどれほど弱い光であっても即座に電子を放出するのである。アインシュタインが1905年に示した説明——光そのものが後にフォトン(光子)と呼ばれる離散的なエネルギーの塊として届くという説——がこの謎を解決し、量子力学の基礎となる成果の一つとなった。彼はこの業績により1921年にノーベル物理学賞を受賞した。
定常波
ギターの弦をはじいたり、瓶の口に息を吹きかけたり、縄跳びの縄をちょうど良い速さで振ったりすると、同じ現象を目にすることになる。同じ媒質の中を反対方向に進む2つの波が干渉し合い、伝わっていくのではなく静止しているように見えるパターンを作り出すのだ。これは、波が固定端または自由端で反射し、自分自身の反射波と重なり合うときに常に起こる。ほとんどの振動数では結果は乱雑な混ざり合いになるが、特定の共振振動数においては干渉がきれいで静止したパターンに収束する——決して動かない点(節)と、最大変位の間を振動する点(腹)である。弦楽器から管楽器、太鼓の皮に至るまで、ほぼすべての楽器が、安定した音の高さを生み出すためにまさにこの振る舞いに頼っている。
浮力
巨大な鋼鉄製の貨物船は浮かぶのに、小さな鋼鉄製のコインは沈む——同じ素材なのに結果はまったく異なり、その説明は重さだけとは関係がない。流体に沈められた物体は、その流体の一部を押しのける。すると流体は、押しのけられた分の重さとちょうど等しい上向きの力で押し返す——この関係は2000年以上前にアルキメデスによって発見され、今も変わることなく物理学における最古の定量的法則の一つとして教えられている。この上向きの力が物体を支えるのに十分かどうかは、重さだけでなく形にも左右される。船体はその重さに対して膨大な体積の水を押しのけるのに対し、無垢のコインが押しのける水の量はごくわずかである。