なんか題名がもはや経済ブログみたいになってますね。。今回は物理とエネルギーその5です。ここが前半ラストで最初の山です。この辺りから、ある程度一通り問題を解いたことのある人向けになるかもしれません。
この後は今までここを書くために色々とばしていたところ細かいところへ入っていきますが、だいたいここまでの内容を理解してストックフローさえ正確にイメージできれば、かなりの問題に対処できるはずです。
以下の動画の出来が微妙すぎたので、一番最後の動画以外差し替えました。あと一つやって次にいきます。
まずは、力学のストックフローから。
重力の位置エネルギーと外力の仕事
力学的エネルギー保存則は前のこの例題でやったので、位置エネルギーの定義にスポットを当ててみます。位置エネルギーの定義の一つに「基準点から現在の位置まで保存力に逆らってする仕事」というのがあります。こう書いてある教科書の考え方のストックフローについて動画にしてみました。
続いて電磁気ストックと力学のフローです。
コンデンサーへの導体の挿入
代表的なものとして、コンデンサーへ導体を挿入する問題の外力のする仕事です。電気容量やコンデンサーのエネルギーはちゃんと出せる前提です。ストックのエネルギーからフローアウトすると、エネルギーがマイナスになり、外部の仕事がマイナスになる例です。お金でいうと、貯金が減って収支マイナスの例です。
さらに電磁気から電気回路に関して。これは電磁気のストックフローです。
電源のする仕事と電荷の位置エネルギー
とにかく回路が絡んでくると、力学的エネルギー保存則が使えている人でも同じレベルで使いこなせず、なんとなくでやってしまうケースが増えてくるように思います。電流を流れる電荷をキャリアというのですが、ここの考え方が色々あって実は一番難しいところです。
このブログでエネルギーを取り上げた最大の目的はここにあるので、まずはその導入編としてやります。一応電流を流れる電荷をΔq[C]と考え、位置エネルギーをΔqに電位をかけたものと考えられる前提で処理し、今回はあまり深入りしていません。微小量の扱いをやった後で深入りする予定です。
ですが、その前フリとして、
なんで電源なのに仕事なの？
回路におけるエネルギー=位置エネルギーを電流の運び手(試験電荷、自由電子、イオンなどが出題される)が運んでいるだけ
といった一番基本的だけれどあまりわかってなかった人が多い点に焦点を当てつつそのエネルギーのやりとりのストックフローを解説してみました。これがわかれば回路のエネルギーは簡単にわかるはずです。
最後に熱力学の第1法則。熱のストックフローと力学のフローの組み合わせです。
単原子分子気体の定圧変化
ここはちゃんとできる人が多いですね。熱の範囲はストックとフローが見えやすいのかな？なんて思います。一応熱にも触れておきたいので軽くまとめておきました。→これを仕事の主語と正負について焦点を当てた別動画に変えて、次の記事にする予定です
以上です。全部同じように考えているだけですが、この4つを完全に理解できれば、物理全体の大抵のエネルギーを正確に扱える下地は十分にできているはずです。ストックとフローさえ正確に見極めれば、いくらでも応用が効きます。
前半でやりたかったのは次回終わりです。その後エネルギーのストックフローのイメージを書くことを優先したため色々後回しにしたことに戻ります。可能な限り微積分の計算は避けますが、この辺から徐々に定量的なものを最低限扱います。まずは微小量Δの扱いにいきます。
やりたいことは3つだけ(エネルギーのストックフロー、ストックエネルギーのイメージ、電流の再定義)なのに、文字に書き起こすと大変だし動画は妙に緊張するし編集面倒だしで気が遠くなってきました。。。動画を作るといかに生徒の表情に助けられていたか痛感させられます。
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