物理計測

Instrumentation Physics

9962512

62PHZZZ301

幸村　孝由、吉岡　伸也、石塚　正基、田村　雅史

Masafumi Tamura, Takayoshi Kohmura, Shinya Yoshioka, Masaki Ishitsuka

2023年度前期

2023/1st Semester

金曜1限

Friday 1st Period

創域理工学部　先端物理学科

Department of Physics and Astronomy, Faculty of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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ブレンド型授業（半数回以上を対面実施）
Blended format (with 50%-or-more on-site classes)

実験系の4人の教員が，物理学における計測にかかわるトピックスをとりあげ，先端的測定法や電子計測器の基本技術，通常では測定困難な微小量や巨大量の測定，光学測定の原理，物理定数の測定の精密化の歴史，などを解説する。これによって，物理学各分野における実験法や測定原理の理解を深め，「物理学実験３-A,B」で取り扱う内容の理解（よいレポートが書けるということ）も目指す。
　特に，2019年5月に新しい国際単位系（SI）がスタートしたので，まずそれが物理法則と基準となる物理定数とに基づいてどのように定義されているかを学んで，単位の理解なしでは物理計測は成り立たないことを確認することから始める。

物理学を含めて現代の科学技術は，計測によって得られた物理量の測定値に基づいて成り立っている。測定値を記述するためには，物理法則と基準となる物理定数とに基づいて定義された単位が不可欠であり，単位を抜きにして科学技術は成り立たない。2019年から適用された新しい国際単位系（SI）は，完全に物理定数に基づくように大きく改訂されたもので，これは，特に電磁気学・光学・量子物性に基づいた物理定数の精密測定によって実現した実験物理学の到達点といえる。まずこの新SIを学ぶことで，物理学の構造と基礎法則を理解する。
　続いて，実験室で広く用いられている電子計測器でアナログ量をディジタル値に変換している仕組みや，計測における波動現象の利用（フーリエ解析）などを学ぶ。
　さらに，素粒子という極微の世界の物理量や，天体の物理量など，直接には測定困難な量をいかにして求めるかを解説し，そこにかかわる物理法則や物理現象の理解を深める。
　また，肉眼では見えない微小構造を見る手段としての顕微鏡の原理と性能について学び，見えない量を知る実験物理学の歩みを知る。
　以上のことを修得するために，具体的には下記の事項を目指すことになる。
1.　新国際単位系（新SI)の定義や基準となる基礎物理定数の測定法を，そこに適用されている物理法則（特に電磁気学と量子力学）とともに理解する。
2.　国際ルールに従って測定値の不確かさを算出し，信頼性を評価するデータの統計学的扱いの背景にある考え方とその最近の発展を学ぶ。
3.　電圧や周波数など基本的な物理量の測定技術を知り，測定器の性能を判断できるようになる。
4.　原子や素粒子にかかわる微小な物理量の測定法とその基礎になっている物理法則を知る。
5.　天体にかかわる遠方の巨大な量の測定法を知る。
6.　光学顕微鏡や電子顕微鏡の原理や性能を学び，直接知るのが困難な物理量に取り組んできた物理学の歩みを知る。

下記から少なくとも半数以上を選んで，目標とするとよい。
1.　新国際単位系の基本単位の定義とその基礎を構成する物理法則を理解する。
2.　新国際単位系の基準となる基礎物理定数とその役割を理解する。
3.　測定値の不確かさと信頼性を判断できるようになる。
4.　測定器の性能を示す指標を理解する。物理計測の基本となる技術（電気計測や回折法）を知る。
5.　肉眼で見えない微小な量の測定法（顕微鏡から素粒子まで）を学ぶ。
6.　宇宙スケールの遠方の巨大な量の測定法を学ぶ。

物理実験学・卒業研究に関する問題解決能力

力学，電磁気学，量子力学，熱力学・統計力学，振動と波動，の基礎事項をマスターすること。不十分なことに気づいたらこの機会に復習する（目安として毎回の授業に対して1〜2時間）。これを怠ると，じゅうぶんな評価点が得られず，単位修得が困難になる。
「物理実験学」で学んだことも復習すること。
「物理学実験」で扱う事項との関連を意識すること。

課題に対する作文　Essay

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掲載・配布される授業資料があれば，事前に読んでおくこと。
各回の講義内容を十分に復習して（1時間程度以上が目安），レポート提出に備えること。

4人の担当教員によって，授業内試験またはレポートを課し，その結果を総合して評価する。

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

"A concise summary of the International System of Units, SI" など，国際度量衡委員会 (CIPM) が公表する国際文書（一部はLETUSに掲載する）。

佐藤文隆，北野正雄「新SI単位と電磁気学」（岩波書店）

初回にガイダンスをおこなって授業方針等を説明する。
数字は必ずしも回数とは対応しない。順序も予告の上，変更されることがある。
＜田村＞
1. はじめに（この授業の目的と進め方）
2．新SI単位系と基礎物理定数・基礎物理法則。
3．SI基本単位の現示法と量子現象の計測。電磁気量の"MSAV単位系"。
4．アナログ-デジタル（A-D）変換・D-A変換，電圧-周波数（v-f）変換・f-v変換。

＜石塚＞
1.　素粒子の基礎と測定手法：素粒子の種類や運動量などを計測する手法（磁場中での飛跡検出・カロリメータ・光電子増倍管）
2.　素粒子の崩壊：重い粒子は短い時間で崩壊するため、直接は計測できない。相対論的運動学をもとに、崩壊により生成された粒子の観測量から親粒子の情報を再構成する手法。
3.　素粒子の生成：加速器の原理と，高エネルギーの粒子の衝突により自然に存在しない重い粒子を生成する実験手法。

＜幸村＞
1.　宇宙の観測方法：電磁波、粒子線の観測方法
2.　宇宙・天体の大きさの測り方（宇宙はしご，膨張宇宙から宇宙のサイズ，天体のサイズの測り方）
3.　宇宙・天体の質量の測り方（星や惑星やブラックホールの質量の求め方）
4.　宇宙・天体の温度，速度，磁場の測り方（天体の温度の求め方（黒体輻射、熱制動輻射など），ジェットのビーミング，ドップラー効果など

＜吉岡＞
1.　光学顕微鏡の分解能
2.　対物レンズの種類と分解能を高める工夫
3.　電子顕微鏡の仕組み

エックス線作業主任者 (田村雅史 2015年4月委嘱）ほか，理研や本学での共同利用機器の運営経験等を反映した授業をおこなう。

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