【授業概要】
・テーマ
電磁気現象に関する古典物理学がマクスウェルの方程式に集大成されることを統一的かつ平易に叙述して,古典電磁気学と場の概念の基礎から電磁波までについて学ぶことが電磁気学の授業全体のテーマです。電磁気学Iでは,静電場を扱います。クーロンの法則から基本法則(ガウスの法則,渦なしの法則)を導き,全体を静電ポテンシャルに対するポアソン方程式にまとめます。古典電磁気学をはじめとして物理の記述に不可欠な数学「ベクトル解析」を習得することも,この授業の重要なテーマです。
・到達目標
静電場に関するガウスの法則,渦なしの法則とポアソン方程式の物理的意味,さらにそれらを数学的に記述するために必要なベクトル解析を理解し,簡単な問題を解けるようになることです。
【科目の位置付け】
古典電磁気学は,力学と並んで物理学を構成する最も基本的な科目であり,量子力学,統計力学,相対論などから現代物理学を学んでいくために必須の分野です。この授業は,現代物理学の理解に必要な電磁気学の基礎知識と学力を身につける必修科目の第一部に位置付けられます。
【授業計画】
・授業の方法
通常の講義形式で,内容を板書しながら授業を進めます。授業で取り上げる各テーマについては,まとめ,例題と演習問題のプリントを配布します。数回,レポート課題を出題して授業内容の理解を確認します。
・日程
取り上げる内容の主要なテーマとその順序は,次のとおり(カッコ内は,予定授業回数)です。 はじめに(1) I 静電場 1 クーロンの法則(1) 5 静電ポテンシャル(1) 2 電場(1) +勾配(ベクトル解析3) 3 ガウスの法則(3) 6 ポアソン方程式とその解(3) +発散とガウスの定理(ベクトル解析1) +ラプラシアン(ベクトル解析4) 4 渦なしの法則 --- 保存力の条件(3) 7 静電場のエネルギー(1) +回転とストークスの定理(ベクトル解析2) 8 電気双極子(1)
【学習の方法】
・受講のあり方
できるだけ自習して,受身の姿勢で受講しないように努めてください。板書を単に筆写するだけでなく,理解を助けるために,内容をまとめた自家用ノートを作成する,演習問題を自分で解く,つくってみるなどしてください。「電磁気学演習I」の授業にも積極的に取り組むとともに,気に入った演習書を併せて活用してください。 電磁気学で必要になるベクトル解析などの数学は,授業のなかできちっと説明しますが,これらについても物理数学として体系的に学習することが重要です。
・授業時間外学習へのアドバイス
授業で扱うテーマについて,あらかじめ,選んだテキストに目を通してください。 授業で学んだ事項について,テキストやプリントの演習問題を実際に解いてください。基本概念や法則が身について,授業内容の理解が確実に深まります。プリントの演習問題は略解も配布しますので,活用してください。 授業ですべてのことを扱えるわけではありません。電磁気学I,IIを通して共通のテキストを最後まで読んで古典電磁気学の全体を理解するように努めてください。
【成績の評価】
・基準
静電場の基本法則とその物理的意味,ベクトル解析を理解し,簡単な問題を解く力を身につけていることが合格の基準です。
・方法
レポート課題を数回出題し,期末に筆記試験を行います。基本的には筆記試験(70%),レポート課題(30%)の重みで評点とします。
【テキスト・参考書】
授業は特定のテキストに準拠しません。自分が気に入ったテキストと演習書を一組選択してください。 電磁気学の教科書や参考書は非常にたくさんあります。代表的なテキストを例示すると次のとおりですが,レベルはかなり異なっています。 テキスト: 長岡洋介著,「物理入門コース 3,4 電磁気学 I,II」,岩波書店 テキスト: 飯田修一監訳,「バークレー物理学コース 電磁気」,丸善出版 テキスト: 太田浩一著,「電磁気学の基礎 I,II」,東京大学出版会
【その他】
・学生へのメッセージ
現代物理学を学び,研究するには,さまざまな局面で古典電磁気学と場の概念についての知識(素養)が必要となります。このようなときに使用される大学院レベルの代表的な専門書には,次のテキストがあります。これらを読み進められるようになることがこの授業の目標ともいえます。いずれかを手元に置いてときどき参照すると,よい刺激になるでしょう。 参考書: ジャクソン著,「電磁気学 上,下」,吉岡書店 参考書: ランダウ=リフシッツ著,「電磁気学 =連続媒質中の電気力学= 1,2」,東京図書(絶版か) 参考書: パノフスキー,フィリップス著,「新版電磁気学 上,下」,吉岡書店(POD版)
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