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大学の物理学は高校物理よりも基礎的な内容

現在の高校物理の問題点をあげると、

ベクトルで記述することを避ける傾向がある
微分積分を使った物理現象の説明が少ない
大学数学の持ち込みは禁止されている

などの点があげられます。

万有引力の法則で有名なアイザック・ニュートンは、この世の物理現象が微分方程式で表せるという事を示しており、実際にものを自由落下させたり、ばねを振動させたりすると、その運動は微分方程式の解と一致します。

しかし、高校数学の教科書では大学数学や大学物理の持ち込みはタブーとされており、教育者も指導に手を焼いている様子が見受けられます。

そもそも、物理学の基礎は数学であり、数学を基本言語として構成されています。なぜ、数学を用いるのかというと、単純に分かりやすいからです。

一方で、高校物理は高校数学という狭い枠に囚われているため、大学物理学で用いられているような高度な数学を取り入れることができません。

その為、高校物理では数式を用いた定量的な理解をすることができず、文章や図を通じた定性的な理解のみにとどまってしまいます。

ここで、私の高校物理の苦い体験談をしたいと思います。

私の高校時代の時の物理基礎では、以下の加速度$a(t)$、速度$v(t)$、位置$x(t)$の公式を覚えさせられました。

$$x(t)=A\sin \omega t$$

$$v(t)=A\omega \cos \omega t$$

$$x(t)=-A\omega^2 \cos \omega t$$

当時、微分積分を知らなかった私はこの三角関数だらけの公式を見て、物理が嫌いになりました。結局この公式は覚えましたが、高校3年生の時に、三角関数の微分法と加速度$a(t)$、速度$v(t)$、位置$x(t)$の関係を知った時に再度愕然としました。

先の３つの公式は、$a(t)=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}$の定義式と波の位置$x(t)$の公式を覚えていれば導出できる事をその時初めて知りました。

大学では、もっと愕然としました。高校物理では公式として覚えていたものが大学では覚える必要がなく、導出できることを知ったからです。例えば、コイルが作る磁場$H$はその典型例です。

$$H = \frac{I}{2\pi r} [A/m]\tag{1}$$

$$H=\frac{I}{2r} [A/m]\tag{2}$$

$$H = nI [A/m]\tag{3}$$

これらの3つの式は、大学の電磁気学では覚える必要はなく、式(4)に示すビオ・サバールの式に統一されます。

$$H = \int_{c} \frac{Ids \times (r-r')}{4\pi |r-r'|^3} \tag{4}$$

つまり、式(1)～(3)は式(4)から導き出された結果に過ぎないのです。

大学の物理学は、数学を用いることで、高校で学習した物理学の公式を一般化します。

その為、大学の物理学を学ぶことで、一つの式から複数の公式を生み出すことができるようになります。

ココがポイント

・大学物理学では高度な数学を用いて基礎から学ぶ
・大学物理学では芋づる式に公式を覚えていく事ができるので、長期記憶に結び付く

大学物理の位置づけ

これまでは高校物理が大学物理に比べてどれだけいい加減かについてお話ししました。高校物理はできなくても、大学物理を理解すれば巻き返しが効くという事をご理解いただけたらと思います。

続いては、大学物理学の立ち位置や役割について解説をします。大学の学問を勉強していく中でモチベーションは大事です。

大学物理学はどの分野で生きるのかを知ることができればモチベーションの向上につながります。

大学物理のロードマップ

物理学は古典物理学と現代物理学に大別されます。

古典物理学では量子力学的な力は考えず、現代物理学では量子力学が加わって発達した学問です。

量子力学は日常の問題を考える際には、ほとんど役に立ちません。その為、現代物理学を勉強するのは物理学科のみとなります。

しかし、材料系の分野では量子力学的な効果によって特性が変化することがあるため、現代物理学を少し勉強する場合があります。

図1.では大学で勉強する物理学についてまとめてみました。

図1.大学物理学マップ
現代物理学は最先端まで含めると枠に収まらないので、4つに絞らせていただきました。

現代物理学では、原子以下の大きさの物体を取り扱う学問から、壮大な宇宙を取り扱う分野までありますが、これらの分野は仕事やビジネスに落とし込む時代が来るのはまだまだ先の話になるでしょう。

しかも、エンジニアとして工業製品の設計・開発・維持管理を行うためには、現代物理学は明らかに過剰な知識です。工学系の最難関資格である技術士ですら、基礎物理学からはみ出ることはありません。

なので、工学系の学生は、早々に物理学から足を洗い、工学系の応用分野を中心に学習を進めていく事になります。

大学物理の応用分野

大学物理の全てを網羅するのは仕事への応用を考えるとコスパはよくありません。

その為、自分の行きたい業界にマッチした工学系の科目を勉強していくのが、理数クラスターでの目標になります。

ところが、工学系の分野は数が多すぎるので、電気電子に絞って解説をさせていただきます。

電気電子の資格としては、無線技士や電気主任技術者などがあり、これらの資格には電磁気学が主として用いられています。一方で、力学や熱力学の分野の問題はあまり見たことがありません。

その為、図1.で示した科目を勉強していけば良いことになりますが、本当にそれでいいのでしょうか？

実際に図を作ってまとめてみました。

電気電子系の学科では、電磁気学と電気回路は計16単位分を使ってしっかり勉強します。図2を見てわかる通り、電磁気学は工業系の科目に密接にかかわっているということが読み取れます。加えて、この図では説明できませんでしたが、無線技士、電気通信主任技術者、技術士では、アンテナ工学や電磁波工学が電磁気学の恩恵を受ける科目となっています。

電気回路で回路解析の基礎となるキルヒホッフの法則は、電磁気学の電荷量保存則から導き出されています。また、電気系の科目では物性基礎の科目や半導体デバイス等で量子力学の基礎知識が必要になってきます。

電気初学者は、電磁気学の重要性を理解して勉強に臨むようにしましょう。