物理基礎 / 物理学が拓く世界
章末問題
章末問題
この単元は計算問題よりも「考え方」を確認することが中心になります。以下の問いについて、自分の言葉で説明できるか確認してみましょう。
問題1
「仮説を立てる」「実験で検証する」という科学的探究の2つのステップについて、それぞれ具体例(身の回りの現象でよい)を挙げて説明せよ。
解答・解説を見る
解答例
- 仮説を立てる:「氷が水に浮くのは、氷の密度が水より小さいからではないか」という予想を立てる。
- 実験で検証する:実際に氷と水の質量・体積を測定して密度を計算し、氷の密度が水より小さいことを確かめる。
科学的探究では、思いつきの予想(仮説)を、実際に測定や実験で確かめられる形にすることが重要です。
問題2
測定には必ず誤差が伴う。ある物体の長さを3回測定したところ、$12.3\ \mathrm{cm}$、$12.5\ \mathrm{cm}$、$12.4\ \mathrm{cm}$ という結果が得られた。この3つの値から、測定値としてもっとも適切と考えられる値を求めよ。
解答・解説を見る
3回の測定値の平均を取ります。
$\frac{12.3 + 12.5 + 12.4}{3} = \frac{37.2}{3} = 12.4\ \mathrm{cm}$
複数回測定して平均を取ることで、個々の測定に含まれる誤差の影響を小さくすることができます。答え:$12.4\ \mathrm{cm}$
問題3
有効数字の考え方にしたがうと、$3.0\ \mathrm{m}$ と $3.00\ \mathrm{m}$ ではどちらがより precise(精密)な測定を表しているか。理由も述べよ。
解答・解説を見る
答え:$3.00\ \mathrm{m}$ のほうが精密な測定を表している。
有効数字は、意味のある(信頼できる)桁数を表します。$3.0\ \mathrm{m}$ は有効数字2桁($3$ と $0$)、$3.00\ \mathrm{m}$ は有効数字3桁($3$、$0$、$0$)です。桁数が多いほど、より細かい単位まで測定できたことを意味します。
問題4
GPS(全地球測位システム)には、実は相対性理論の効果を補正する仕組みが組み込まれている。このように、基礎的な物理学の理論が、身近な技術の中でどのように活かされているか、GPS以外の例を1つ挙げて説明せよ。
解答・解説を見る
解答例(いずれか1つの説明ができればよい)
- 太陽電池:光電効果という物理現象を利用して、光のエネルギーを電気エネルギーに変換している。
- MRI(磁気共鳴画像):原子核が磁場の中で特定の性質を示すことを利用して、体内の様子を画像化している。
- 電子レンジ:電磁波(マイクロ波)を水分子に吸収させ、分子の運動を活発にすることで食品を温めている。
物理学の基礎理論は、一見遠い存在に見えても、多くの技術の根底を支えています。