目次

はじめに

• 本書の特徴
• 頻繁に使う近似式

第1章 力学 ― 重力による運動

1-1 重力と放物運動

• 斜面での加速度運動
• 等加速度運動
• 落下加速度の斉一性
• 成分分解
• 放物運動
• 【ケーススタディ】月面での放物運動
• 慣性の法則

1-2 ニュートンの重力理論

• ケプラーの法則
• 月とリンゴ
• 月軌道上の加速度
• ケプラー第3法則の導出
• 逆2乗則の係数
• 【ケーススタディ】ブラックホールと暗黒物質

1-3 力の統一

• 作用・反作用と万有引力の法則
• 運動の法則
• 重力ポテンシャル
• 重力の位置エネルギー
• 【ケーススタディ】オウムアムアの軌道
• 力とは何か
• 【コラム】一般相対論入門

第2章 電磁気学 ― 粒子と場

2-1 静電気力と物質の構造

• 原子と原子核
• クーロンの法則
• 物質を結合させる力
• 物質の構造
• 近接力の起源
• 電場と電位
• 電気力線
• コンデンサーの電気容量
• 【ケーススタディ】雷の発生

2-2 磁気と電流

• 電流と磁場の相互作用
• 磁場が電流に及ぼす力
• ローレンツ力
• アンペールの法則
• 単位と用語に関する混乱
• 磁化の扱い
• 磁場内部での電荷の運動
• 電磁誘導の法則
• 電磁波の発生
• 【ケーススタディ】ブラックホールのジェット

2-3 電磁場のエネルギー

• エネルギーの変換
• エネルギーはどこに蓄えられるか
• 電気抵抗で消費されるエネルギー
• コンデンサーに蓄えられるエネルギー
• 磁場のエネルギーと交流回路
• 【ケーススタディ】自己エネルギーとくりこみ理論
• 【コラム】電磁気と相対論

第3章 原子物理 ― 波動力学の視点

3-1 振動と波動

• 安定な均衡状態
• 単振動
• 波動の伝播
• ドップラー効果
• 重ね合わせと干渉
• 定在波の形成
• 【ケーススタディ】長周期地震動

3-2 量子効果と原子の構造

• 古典論の不安定性
• 原子が持つエネルギー
• 物質波のアイデア
• 【ケーススタディ】水素原子の定在波
• 現在の解釈

3-3 物質はいかにして生まれたか

• 質量とエネルギー
• 物質の誕生
• 原子核と原子の形成
• 元素の合成
• 世界はなぜ多様なのか
• 安定性と多様性が両立する世界
• 【ケーススタディ】「キログラム」の定義
• 【コラム】ボーア模型を教えるべきか

第4章 熱力学 ― 統計力学への入り口

4-1 流体内の物体の運動

• ストークスの法則
• 粘性抵抗と慣性抵抗
• 【ケーススタディ】スポーツ選手が受ける抵抗
• 理想化という手法

4-2 気体分子運動論

• 気体分子というアイデア
• ボイル＝シャルルの法則
• 理想気体の分子運動
• 分子の衝突による力
• 理想気体の状態方程式
• 【ケーススタディ】ファン・デル・ワールス方程式

4-3 熱と温度

• 気体のエネルギー
• 熱の流れ
• マクスウェル分布
• エネルギーはどのように分配されるか
• エネルギー等分配則
• 仕事とエネルギー
• 熱力学第一法則
• 気体の熱容量と比熱
• 【ケーススタディ】筋肉による仕事
• 【コラム】エントロピーの正体

終章 ― エネルギーとは何であり、なぜ保存するのか

• 宇宙
• 原子核と素粒子
• 生命
• 物理学による統一的な世界観
• エネルギーとは何か
• 物理学の方法論