生活の中の物理学 (2015)

生活の中の物理学 (2015)
Physics in Everyday Phenomena
第9回 2015/11/25
第4章 熱
第5章 波（音） 真貝 寿明
Hisaaki Shinkai
http://www.oit.ac.jp/is/ shinkai/mukogawa
寺田寅彦のエッセイをレポートせよ 総評 総評 気合いの入ったレポートをたくさんいただきました．
電車の混み具合を調べたレポート
地震速報のしくみを調べたレポート
自分の手首に関する経験談を綴ってくれたレポート
夢を見るしくみについて調べたレポート
音楽のメディアの発展について調べたレポート
自分が科学者に向いているかどうかを省察しているレポート
金平糖を改めて買って観察してくれたレポート
寺田の注意深い観察力に脱帽した，というレポート
寺田のコメントに異論を感じる，というレポート
「身近にある物理現象に改めて興味をもった」
という感想が10人ほどありました．
皆さんの繊細／鋭敏な感覚を大切にしてください．
第4章 熱と気体 熱エネルギー
4.1 温度は何で決まるのか
温度＝分子運動の激しさ
固体 液体，液体 気体 の変化で熱エネルギーが必要
伝導，対流，放射
4.2 気体の法則，熱力学の法則
ボイルの法則，シャルルの法則
飽和水蒸気量
ジュールの実験：力学的エネルギー 熱エネルギー
4. 熱と気体 >> 4.2.1 気体の法則
教科書 p120
ボイルの法則
圧力 [ 気圧 (x 105 Pa) ]
3.0
2.5
373K
2.0
273K
1.5
1.0
0.5
0.00
173K
73K
0.01
0.02
体積 [ x 10
0.03
2
m3 ]
0.04
4. 熱と気体 >> 4.2.1 気体の法則
教科書 p120
シャルルの法則
絶対温度[K]
2.0気圧 1.5気圧
1.0気圧
400
300
0.5気圧
200
100
0.00
0.01
0.02
0.03
体積 [ x 10
0.04
2
m3 ]
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.2 気体の法則・熱力学の法則
教科書 p122
飽和水蒸気量
飽和水蒸気量＝空気中に溶け込める水蒸気の量
湿度＝水蒸気量/飽和水蒸気量
飽和水蒸気量と温度
温度が下がると
空気中に溶け込める
水は少なくなる
図 4.20
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.2 気体の法則・熱力学の法則
ジュールの実験
教科書 p124
James Prescott Joule
(1818-1889)
1845年，力学的エネルギーが熱に変換されることを示した．
第4章 熱と気体 熱エネルギー
4.1 温度は何で決まるのか
温度＝分子運動の激しさ
固体 液体，液体 気体 の変化で熱エネルギーが必要
伝導，対流，放射
4.2 気体の法則，熱力学の法則
ボイルの法則，シャルルの法則
飽和水蒸気量
ジュールの実験：力学的エネルギー 熱エネルギー
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.2 気体の法則・熱力学の法則
熱力学第1法則
＝熱まで含めたエネルギー保存則
教科書 p126
エネルギーは形態を変える
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前回のミニッツペーパー記入項目
1
高さ100mの滝から水が落下した．位置エネルギーがすべて熱に変化
したとすると，水の温度は何度上昇するか．
Note: 位置エネルギー
熱の仕事等量
2
E[J] = mgh g = 9.8[m/s ]
1[cal] = 4.2[J]
233℃ 12名 50-100℃ 4名 2­50℃ 3名 0.4℃ 1名
正解 1名
0.04℃ 1名
答えに至らず 10名
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.1 熱機関
蒸気機関の発明(1) ニューコメン
http://ja.wikipedia.org/wiki/トーマス・ニューコメン
教科書 p128
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.1 熱機関
蒸気機関の発明(2) ワット
http://mi.eng.cam.ac.uk/IALego/steam.html
教科書 p128
熱サイクル(1) エンジンは熱サイクル
教科書 p129
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.1 熱機関
教科書 p130
PVグラフを右回りか，左回りか
圧力 P
A
PA
PD
D
B
PB
C
PC
V A VD
VB
VC
体積 V
P
P
Q1
Q1
反時計回り
時計回り
W
W
Q2
Q2
V
V
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.1 熱機関
教科書 p130
熱効率
圧力 P
PA
PD
A
D
B
PB
C
PC
V A VD
VB
体積 V
VC
第4章 熱と気体 熱エネルギー
4.3 熱効率と不可逆変化
熱機関＝熱エネルギーから仕事をする装置
PVグラフを右回り＝外に仕事をする（エンジン）
PVグラフを左回り＝外から仕事をされる（冷蔵庫）
熱効率＝（外にした仕事）/（加えた熱エネルギー）
永久機関は不可能
エネルギー保存則に反する
熱には流れがある（エントロピー増大則）
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.2 永久機関は可能か
教科書 p133
http://rikanet2.jst.go.jp/search.php?id=index&keyword=永久機関
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.2 永久機関は可能か
教科書 p133
エネルギー保存則に
反するからダメ
熱効率100%の熱機関は
存在するか，という問題
4. 熱と気体 熱エネルギー : 4.3.2 永久機関は可能か
教科書 p134
エントロピー ＝ 乱雑さ，エントロピー増大則
(4.15)
前回のミニッツペーパー記入項目
(a) 上がる (b) 下がる
(c) 変わらない
4名
4名
23名
fridgeezoo/フリッジィズー
冷蔵庫など温度を冷やす装置は，それ以上のエネルギー
を外部から与える必要がある．したがって，部屋全体では，
冷やすよりも多くの熱エネルギーが外部から放出されるの
で，部屋の温度は上がる．
第4章 熱と気体 熱エネルギー
4.3 熱効率と不可逆変化
熱機関＝熱エネルギーから仕事をする装置
PVグラフを右回り＝外に仕事をする（エンジン）
PVグラフを左回り＝外から仕事をされる（冷蔵庫）
熱効率＝（外にした仕事）/（加えた熱エネルギー）
永久機関は不可能
エネルギー保存則に反する
熱には流れがある（エントロピー増大則）
家庭の電力消費／待機電力の電力消費
教科書 p135
平成22年度のデータ，JCCCA
発電電力の分類
エネルギー白書2015
http://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2015html/2-1-4.html
持続可能エネルギー キーワード
＝大気の熱を利用して
エネルギー効率を高める
省エネルギー
ヒートポンプ
コージェネレーション(cogeneration)
地熱
= combined heat and power ＝排熱を利用して
エネルギー効率を高める
再生可能エネルギー
バイオマス
地熱 · 水力
太陽 · 潮力 · 風力
コジェネレーション
教科書 p132
廃熱を利用して，発電や給湯を行う
大気の熱を利用して冷媒の加熱の一部を行う
エコウィル（ガス）
エコキュート（電気）
エコジョーズ（ガス）
エネファーム（ガス）
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大阪ガス エコウィル＝家庭用コージェネレーションシステム
http://www.gas.or.jp/ecowill/
ハイブリッドカー と 電気自動車
http://www2.edu.ipa.go.jp/gz2/t1dema/t1mir6/t1mra1/IPA-bat130.htm
燃料電池
水素と燃料極を用意する．
発電後，排出されるのは，水だけ．
http://www2.edu.ipa.go.jp/gz2/t1dema/t1mir6/t1mra1/IPA-bat130.htm
【科学技術】
燃料電池車 発売へ
2014/11/18
Toyota & Honda announce FCV
トヨタ自動車は，一般向けに初めて燃料電池車
（FCV, fuel cell vehicle）「ミライ」を来月から発
売する，と発表した．価格は政府補助金を用いて520
万円．ホンダも来年度中に発売予定としている．
水素と酸素の化学反応で発電し，モーターを回す．
走行時に水しか出さないために「究極のエコカー」
と呼ばれる．事故時の水素タンク保護や，寒冷地で
の水の凍結が開発の課題だった．
水素の充填は数分で済み，一度の充填で650km走行
する．燃費も加速性能もハイブリッド車を上回ると
いう．普及には，水素ステーションの設置が課題に
なる．
http://www.toyota.co.jp/jpn/tech/environment/fcv/
http://www.asahi.com/articles/photo/AS20131128000591.html
第5章 波 --- 水・音・光
5. 波 >> 5.1 波の特徴
教科書 p138
5. 波 >> 5.1 波の特徴
教科書 p138
「写真を撮る」
「全体図を知る」
「1カ所での動きを見る」
5. 波 >> 5.1 波の特徴
約30万 km/s
約30万 km/s
教科書 p139
5. 波 >> 5.1 波の特徴
教科書 p140
縦波と横波
5. 波 >> 5.1 波の特徴
教科書 p140
縦波と横波
緊急地震速報のしくみ
教科書 p141
5. 波 >> 5.1 波の特徴
重ね合わせ と 干渉
教科書 p142
重ね合わせ （superposition）
教科書 p143
山＋山＝強め合う
山＋谷＝弱め合う
うなり （beat）
教科書 p154
少しずれた位相の波の合成＝うなり
干渉 (interference)
教科書 p143
波の干渉 = 強めあったり弱めあったりする現象
http://www.sony.jp/headphone/select/popup_noise_cancel.html
固定端と自由端
固定端
教科書 p145
自由端
図5.13
wave.mov
(3:37)
5. 波 >> 5.2 音
教科書 p153
共鳴・共振
共振
可動な板の上のメトロノームは同期する (start on click, 2:40)
共振：つり橋では歩調を揃えて渡ってはいけない
共振：つり橋では歩調を揃えて渡ってはいけない
Collapsed
April 16, 1850
Collapse of the Tacoma Narrows Bridge
Start on Click, 4'13"
http://www.youtube.com/watch?v=3mclp9QmCGs
2003年9月26日 十勝沖地震
苫小牧は震度４
地震の2日後に火災発生
http://ja.wikipedia.org/wiki/十勝沖地震
http://www.asahi.com/special/saigaishi/
2011年3月11日 東日本大震災
長周期地震動
http://ja.wikipedia.org/wiki/東北地方太平洋沖地震
https://www.youtube.com/watch?v=ACKMPD6MySs
Start on Click, 1'46"
アンケート ミニッツペーパーへ
それぞれについて，科学的に正しいと思う／思わない を答えてください．
① 血液型性格診断
「Aは几帳面，Bはマイペース，Oはおおざっぱ，ABは天才肌」 ② マイナスイオンは体によい
「マイナスイオン・ドライアーで髪がさらさら」
③ 携帯の電波は心臓ペースメーカーに危害を加える
「混雑時あるいは優先席付近では携帯電話の電源をお切りください」
④ ゲーム脳
「ゲームばかりしていると馬鹿になる」
⑤ UFOに乗っているのは宇宙人である
⑥ 水に優しい言葉をかけて凍らせるときれいな結晶ができる
『水からの伝言』
⑦ EM菌 有用微生物群（Effective Microorganisms、EM）
「人にも環境にもやさしい微生物たちの共生体で，豊かな生態系を生む」
次回，工作あり．セロハンテープ用意