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原子物理学を学ぶ上で便利なページ

youtubeでタイトルが'The Origin of the Elements'というJefferson Labが提供している1時間のビデオがありました。Edward Murphyという先生のラボの一般向け講演です。見てみましょう。

BME280を秋月電子のI2Cレベル変換器で使う

検索するのは'arduino BME280 spiceman'で秋月電子のレベル変換器を使う接続がFritzingを使って記述されている。プログラムも完全版が書いてある。

簡易的にBMP280を使うやり方

本来センサーは3.3Vで動作しているが、arduinoのI2cの電圧レベルが5Vであることから、レベル変換器を間に入れることが望ましい。簡単に動作テストをするには、レベル変換器を省略することも可能。denshi.clubのページにはその例が掲載されている。

原子物理学は発光現象から

元はといえばバルマー系列が発見されたことから原子物理学が発展してきた。水素原子がどういう光を出すかということ。その現象を応用したのがX線を使った蛍光X線分析装置。内側の電子を銅の特性X線でたたき出して、そこに落ちてくる電子のエネルギーが光になって出てくるのを半導体検出器でエネルギーを測るというもの。分析する固体の組成が簡単に出てくる。

発光現象は面白いが、いろいろ装置が必要。ところが石英片岩というものをこすると発光する。なんで光るかはよくわからないらしい。石英片岩は石英だけが変性して固まったものらしい。中央構造線の山塊から出てくる。京都周辺では木津川の上流がそれなので、木津川の河原に行くとたくさんあった。流橋のところで10個ほどひらってきた。皆こすると光る。

R3年度

エアコンはエコ

田舎の家の改装で居間や台所の灯油ストーブをエアコンにかえるということらしいが、3.6kWの熱出力があるのでブレーカーが心配になったが、コンプレッサーを回すなどの電気量は820Wらしい。つまり単なる電熱器より4倍エコということになる。カルノーサイクルの逆回し的な関係かと思う。給湯設備もコンプレッサーを使うエコキュートもおんなじことらしい。電気温水器も換えた方がエコかもしれない。

等温変化をピストンでモデル化

ピストンはなめらかに動くので基本が断熱変化であるとして、熱の出し入れは体積変化無しでモデル化するプログラムを作ってみる。ループでなく単にモデル計算。Ubuntuなら簡単。cmdで必要なものは、Visual StudioのCommunity 2019で、C++のみ入れる。コンパイラーはcl(シーエル)となる。あとは実行ファイルがxxx.exeができる。他はおんなじ。pathコマンドやwhereコマンドで、環境変数と実行ファイルパスの確認を行う。

g++ isothermal1.cc
./a.out > isothermal1.dat
gnuplot 
plot 'isothermal1.dat'

Windowsもcmdというアプリがある

最近始めて放射線シミュレーションのプログラムをマイクロソフトのコンパイラーでcmdでcmakeを使ってコンパイルした。ようやくunixの端末エミュレータのようにcmdが使えるようになってきたので、みなさんもトライしてみましょう。特に、物理ではgnuplotが推奨されるので、これを使っていくのが良いです。cmdはutf-8になっているのかが問題かも。Windowsはshift JISが標準的な漢字コードだった時代が長いので心配です。使うのは、cd, dir, type, where, echo, path, set, notepad, doskey /hなど。linux、macの、cd, ls, less, which, printenv, echo $PATH, export, gedit, historyが対応する。>(リダ入れクション)を使って端末への出力をファイルにかえるのは両方同じ。トップディレクトリに行くにはcd %homepath%、linuxではtargetなしのcdでいってしまう。

熱力学の基本

熱機関は2035年以降もそれなりに必要か?熱機関は電気のないところでも仕事を発生できるるから必要。例えば船舶、飛行機。逆過程では冷蔵庫、エアコン、こっちのほうが重要かもしれない。まず必要なのは断熱膨張、断熱圧縮で作業物質で何が起こるかを勉強する。そのためには1/xの積分がlog(x)になることを理解する必要がある。log(x)の微分はlog(a)-lob(b)=log(a/b)で理解できる。log(1)の傾きは1だから。これはexp(1)の傾きと逆関数なんで同じであることを利用する。逆関数の傾きが、y=xに対して対称になっていることでもいいのか。図を書いて考えてみましょう。

ピストンと作業物質からなる系を考えて、断熱過程がこの系では自然なものであることを理解する。そうするとそれだけではpV図で仕事が取り出せないことがわかる。次に作業物質への熱の流入を考える。よくやるのが高温物体の接触。外部の圧力が低いとピストンは作業物質を広げるように動く。すると、温度が断熱膨張で下がるので温度差で熱が流入するという現象が起こる。これを繰り返すことにより等温膨張という過程が実現する。高温物体を取り除くとそのまま断熱膨張するという過程が生まれる。その後が問題である。はずみで外部圧力より低いところまで、ピストンが動いたとする。そこで低温物体を接触させる。今度は断熱圧縮で温度が高いところまで行くが、低温物体を接触させているので、熱が奪われPV図で下に動く。それは作業物質からの熱の放出過程となる。これを繰り返すのが等温圧縮。そのあと低温物体を離して、自由に断熱圧縮させる。たぶんはずみ車がうまく作動して、高い圧力のところまで行って、最初のpV図の地点に戻せるというわけである。ここは外部圧力より高いので、また元の通りの膨張プロセスが自然に起こるわけである。

不思議なのは外部の圧力について考える必要はないのかということである。過程が自然に起こるには何もなければ外部圧力を操作する必要がある。実際にははずみ車が連結してあり、その心配はないわけである。熱機関を起動するにはカムに接合されたピストンを動かす必要があるが、適切な位置にはずみ車が付いていれば回転が継続するという仕組みになっているようである。考えている計算過程は作業物質についてのものであるから、外部圧力は考えなくてもよいらしい。

R2年度

1月18日の授業をオンデマンド課題で行います。

交流回路で交流電源、抵抗、コイルをつないだ回路のオシロスコープに表示されるグラフを作成する。最終的な抵抗とコイルの電圧降下を表示するグラフを作成するが、縦軸、横軸のないグラフの書き方を示すので、縦軸、横軸を作成せよ。ここでnumpyのlinspace関数を使って浮動小数点で0から2.0のnumpy arrayのtを生成している。tを使ったので、Iもnumpuy arrayとして生成される。何個の配列かは標準値になっている模様。pythonがオブジェクト指向言語の性質を持っていることに注意する。

まずは簡単なグラフの書き方。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
t = np.linspace(0, 2.)
I = np.sin(2*np.pi*t)
plt.plot(t, I)
plt.show()

これだと数値に意味が与えられていない。そこで2サイクル分だけ表示する。標準的な単位で示した物理量を入れたプログラムにする。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
R = 100
I = 0.01
freq= 50.
L=0.1
x = np.linspace(0, 2.)
t = x /freq
omega= 2* np.pi*freq
VR = R*I*np.sin(2*np.pi*x)
VL = omega * L * I *np.cos(2*np.pi*x)
plt.plot(x, VR)
plt.plot(x, VL)
plt.show()

上に示したプログラムでは東日本の50Hzを仮定している。抵抗の振幅が1Vになるようにしている。numpyをつかうので自動的に高速に計算できる数値のタイプ(numpy array)に変換されているようである。つぎに横軸を時間軸に変えるグラフへの変更を示すので、これに縦軸、横軸がそれぞれ電圧、時間であることがわかるようにせよ。

plt.plot(t, VR)
plt.plot(t, VL)

さらに電源、抵抗、コンデンサーの回路について、抵抗、コンデンサーの電圧降下のグラフの書き方を示すので同様に縦軸、横軸について改善すること。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
R = 100
I = 0.01
freq= 50.
C = 1.e-4
x = np.linspace(0, 2.)
t = x /freq
omega= 2* np.pi*freq
VR = R*I*np.sin(2*np.pi*x)
VC = -I /(omega*C)*np.cos(2*np.pi*x)
plt.plot(t, VR)
plt.plot(t, VC)
plt.show()

H29年度,H30年度

原子物理学

蛍光灯を見ると黄色に二本線が見えるが、この図のどれにあたるか。5460Aは緑。黄色はもう少し波長が長い。特に5770Aは2個の電子で作るスピンが変化する。でも意外に明るい。光は軌道角運動量が1だけ変化して出てくる。

http://physwiki.apps01.yorku.ca/index.php?title=Main_Page/PHYS_3220/Excitation_Potentials

ただしこの蛍光管はかなりまれ。見える輝線がほぼ水銀由来というもの。消えかかった印刷を読むとpanasonic のFL18SS・Wというものらしい。50cmの直管蛍光灯ということなので、あったのが不思議なものだった。WでなくEX-Nなんかはきっと蛍光物質の輝線がいっぱい出てくる。今どきの蛍光塗料のせいでみんなこれしかない。そうなると、このあたりを見ながら水銀の輝線を確認してもよいかも。殺菌灯では水銀の線がよく見える。

http://seppina.cocolog-nifty.com/blog/2016/07/post-463a.html

水銀は2電子系だが、1電子系で有名なのはナトリウム。ただこのランプで高圧だと輝線は見えないらしい。D線は高倍率で見ると2本見える。分離は4A。

6.5-7 電位、キャパシター、誘電体

H30年度は教科書をそのまま見ていきます。

誘電体の面白い性質として圧電素子がある、「圧電素子 原理」で検索

http://www.jiyuken.dicis.net/thunderbolt/playwithspark.html

6.3 電場

琉球大学の前野昌弘さんのページにflashやjavaのプログラムがアップされている。

http://irobutsu.a.la9.jp/mybook/ykwkrEM/sim.html

興味ある人は本も買ってみるとよいかも。図書館に本はあります。

5.5 熱力学第2法則

教科書の二つの箱に分布する粒子の確率分布は2項分布になる。標準偏差はNpqの平方根。pが1/2の時、2σ/NはNの平方根となる。2項分布をgnuplotで表示させてみるには以下のページの式をつかう。階乗のlogをとると大きな数字にならないという説明で指数関数で戻してやっている。少数でも階乗もどきの計算をさせるのにガンマ関数を使っている。

http://agw.hatenablog.jp/entry/20111212/1323754951

5.2 熱の移動

熱放射についてプランクの法則をgnuplotで描画する。数字が大きくなるのを避けるため、プランク定数と光速の積を2πで割ったものを197とする電子ボルトとナノメートルの表記にした後、ボルツマン定数も電子ボルトにしてつじつまを合わせる。その後マイクロメートルに変換したり、温度を千度単位にしたりして、以下のプログラムを得た。プロットしてみよう。plankはplanckが正しい。k=0.8625e-4で14.34=2pi*197/(k*1.e3*1.e3)としている。

H19年度 物理学II

使用したパワーポイントファイル。ただし学内からのみアクセス可能。

波・熱

/ 平衡と弾性filebalanceElastic.ppt / 流体 filefluid.ppt / 振動 filevibration.ppt / 波動I filewaveI.ppt / 波動II filewaveII.ppt / 温度・熱・第一法則 filefirstLaw.ppt / 気体分子運動論 fileMolecularM.ppt / エントロピーと熱力学第2法則 fileirreversible.ppt /

電磁気学

/ 電荷filedenka.ppt / 電場 filedenba.ppt / ガウスの法則 filegauss.ppt/ 電位 filedenni.ppt / 電気容量 fileCapacitor.ppt / 電流と抵抗 filecurrentRegistance.ppt / 回路 fileCircuit.ppt /


添付ファイル: fileisothermal1.cc 43件 [詳細] file電位・キャパシター・誘電体2.pptx 685件 [詳細] fileplank2.plt 638件 [詳細] fileplank.plt 710件 [詳細] filebinomial.gnu 777件 [詳細]

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Last-modified: 2021-12-20 (月) 13:15:11 (38d)