この記事について
あくまで記録と参考のための記事です！鵜呑みにして何かあっても私は一切の責任を負いません！
前に書いたreviewがアカウント凍結とともに消滅したのでこっちに書いてみようという試みです。2025年度、2クラ前半、実験題目は
- 前期
- 振り子の運動
- 重力加速度
- 光のスペクトル
- 後期
- 液体の比熱
- 放射線
- エア・トラック
です。
基礎科学実験Aについて
基礎科学実験A1のシラバスから引用します。
主題 「基礎科学実験Ａ１」の目的は，基礎的な物理学の実験を通して科学の方法を体得することである．物理の法則を体で体験することによって理解してほしい．いろいろな実験装置に触れ，さまざまな物理量を計測して，実験の手法に慣れることは理工系の学生として必須である．
見ての通り、基礎科学実験Aは物理実験を行う授業です。 入学して一週間前後の段階でレポートを書くことが必要になるケースもある、また実験やレポート作成にかかる時間の長さからよく恐れられています。 実験の週と、レポート提出の週を交互に繰り返す形式です。（どうやら今年から毎週実験になる……？） 基礎科学実験Aでは
- 重力加速度
- 音の共鳴
- 液体の比熱
- 等電位線
- 電気回路
- ヤング率
- 光電効果
- 光のスペクトル
- 光速度
- エア・トラック
- 放射線
- 振り子の運動
の実験があり、どの人も前期に3つ、後期に3つのランダムに決められた実験をすることになります。 これ以降では私が当たった実験について、実験レポートを書く上で使ったツールや方法についてメモを残していきます。
基礎科学実験A1
振り子の運動
Ⅰ類の初回実験は全員これでした。その場でペアを作って実験しました。金属棒の振り子の運動をmicro:bit（小型のマイコンボード）と取り付けた角度センサによって測定する実験で、科目のガイダンスを兼ねていました。実験自体は15:00前には終わらせることが可能です。USBでmicro:bitとパソコンを接続するのでType-C端子のみのパソコンを使っている場合は変換する器具が必要です。
で、問題なのがレポート。
- ほかの実験のように『○○を求める』や『○○の法則/性質を確かめる』みたいな目的がなかった
- 初めての実験でいまいち勝手がわからなかった
- 減衰振動が物理のほうの授業で登場するのは前期終わりかけの頃だった
- レポートの提出期限がほかの実験に比べて長かった
などの理由により、一番時間をかけたかもしれません…… 私は理想的な単振り子の $$ T=2\pi\sqrt{ \frac{l}{g} } $$ と測定結果から求めた周期をやんわり比較して……このくらいずれてますね、で収めていました。
重力加速度
長い振り子の周期を正確に測ることによって、重力加速度を5桁の精度で求めることを目的とした実験です。私の時は一人で取り組む実験でした。暗室でストロボを炊きつつ5~15分振り子の周期を延々と測定します。これを数セットやるので目がしょぼしょぼします。そこまで遅くならずに15時台には終わったはずです。 オンライン資料の実験ノートの書き方で紹介されているものが重力加速度の実験のものだったので参考にしました。
前期の実験では不確かさを求める必要がなかったので $$ g=\frac{4\pi^2h}{T^2}\left( 1+\frac{2r^2}{5h^2}+\frac{\theta^2}{8} \right) $$ について計算して、理想的な値との誤差がだいたい1%だね、式の雰囲気を見るにこっちの測定をもっと丁寧にすれば精度が上がりそう、みたいなことを書きました。
光のスペクトル
回折格子でいくつかの原子のスペクトルの波長を求める実験です。これも一人で取り組む実験でした。 暗室で謎の器械をのぞき込んでスペクトルの線を探し、角度を求め続けます。どうやら装置に個体差があるようで、全然スペクトルが見えない管をのぞいたりもしました。無理なく15時台に終わらせられます。 $$ \lambda=\frac{\sin\theta_{m}}{mN} $$ をひたすら振り回します。考察する内容を探すのが大変だった記憶があります。
基礎科学実験A2
液体の比熱
水とエタノールの比熱を求める実験です。その場で作ったペアで取り組みました。 なぜかはんだ付けをする工程があります。 加熱、冷却ともにそれなりに時間をとられるので気を抜くと16時が見えてきます。 なぜか後期になるとグラフを手書きすることを強要されたので、グラフを作るのが面倒でした。 $$ C=\frac{1}{M}\left( \frac{Ri^2}{(\Delta T/ \Delta t)}-mc \right) $$ 不確かさのせいで $$ \Delta C=\sqrt{ 2 \cdot \left( \frac{1}{2} \right)^2\left( -\frac{C}{M} \right)^2(\Delta M)^2+\left( \frac{1}{M} \frac{i^2}{(\Delta T/\Delta t)} \right)^2(\Delta R)^2+\left( \frac{1}{M} \frac{2Ri}{(\Delta T/\Delta t)} \right)^2(\Delta i)^2+ \left( -\frac{Ri^2}{M(\Delta T/\Delta t)^2} \right)^2 (\Delta\frac{\Delta T}{\Delta t})^2+\left( -\frac{c}{M} \right)^2(\Delta m)^2} $$ が要求されたとき青ざめました。式長すぎる。
実験によると水の比熱は5、エタノールの比熱は2.7でした。
放射線
ガイガーカウンターによって距離や遮蔽物によって変化する放射線の量を測る実験です。個人で行いました。
操作が簡単な反面繰り返す回数が700回とか尋常じゃなく多いので、記録をする効率を上げないと16時以降まで実験が続きます。レポートも統計的な処理が多い印象です。
あとデータのとり方によってグラフの書きやすさが変わります。線量が多けりゃいいってもんじゃないです。
$$
P(N)=\frac{(\overline{N})^N}{N!}, \Sigma_{N=0}^{∞} P(N)=1
$$
のポアッソン分布を扱う必要が出てきますが、ExcelのPOISSON.DIST関数で一発です。
エア・トラック
空気が噴出しているエアホッケーのレール版みたいなやつの上で動く物体の様子を測定する実験です。個人で行いました。 とにかく実験手順が多くて調整がシビアなのが大変でした。 16:45くらいまで実験してました。 求めるのは反発係数だったり平均の速度/加速度から求める空気抵抗なのでそこまで大変ではないですし、いくらやっても調整をうまくやることができないので考察のネタは尽きません。やったね！
レポートを書くにあたって
私は$\LaTeX$を直接書くということをほとんどせずにObsidianで書いたマークダウンを変換してレポートにしていました。でもすでにPrismが出てきている以上あまり悩まないでいいのかもしれない……
先に上げたような式は
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が $$ g=\frac{4\pi^2h}{T^2}\left( 1+\frac{2r^2}{5h^2}+\frac{\theta^2}{8} \right) $$ になります。
このあたりの知見はこっちにもまとめているのでぜひに～
