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物理【高校課程】

力学

運動と運動方程式

まずは力学の基礎法則のnewtonの3法則について、概念をしっかりと理解しましょう。

そのうえで、力学の全体構造を俯瞰することです。そして、各単元の学習時にそれが全体のどの部分であるかを意識してください。

運動方程式から運動を解かせる問題は、加速度が一定(等加速度)か位置に比例するか(円運動/単振動)かの2パターンしか習わないので、2つとも同時に学習してしまいましょう。

剛体

有限な大きさを持つ物体について学びますが、高校では決して回転しません。なので、どこを回転中心にとってもモーメントの和は0です。計算に有利な始点をとりましょう。

重心についても学びますが、モーメントからではなく、定義からおさえるようにしましょう。

エネルギー・仕事

エネルギーはイメージがつきやすいと思いますが、その前になぜこのような概念を用いなければならないのかをおさえてください。一方、保存力・非保存力についてはその種類さえわかれば十分です。一方、仕事については力の向きに動いてなんぼ、ということをしっかりおさえてください。また、エネルギー保存則が成立するのはどういうときかをおさえておきましょう。

運動量・力積

運動量は直観的イメージが取りにくいかもしれませんが、“衝撃”くらいにイメージしておくとわかりやすいと思います。まずは運動量はベクトルであることを忘れないでください。次に運動量保存則が出てきますが、それは力積が0のとき、すなわち外力が0か時間が0かということをしっかりと意識してください。特に後者、すなわち直前直後のときというのを忘れないようにしましょう。

万有引力

ここではKep1erの法則を学びますが、実はこれ、newtonの法則よりかなり昔のものです。それを引っ張り出してくるのは、運動方程式から解くのを(円軌道の場合を除いて)諦めてしまっているからです。ということは、古い法則ですから、見た目よりかなり単純です。

熱力学

熱と温度

熱力学は構成粒子の集合体が全体として見せる現象を扱います。一方で、化学とも重なるくらい日常生活に親しい分野でもあります。ですので、個々の粒子の力学の和というのと日常感覚をあわせていくことが大切です。ここでは熱を加えたときの状態/温度変化を学びますが、状態は位置エネルギーの和、温度は運動エネルギーの和であり、熱を与えたときどちらか一方だけが変化する、と理解するとわかりやすいです。

気体状態変化

第一法則がメインになります。熱を加えると熱くなって膨れる、と理解しましょう。ここで内部エネルギーは気体の持つ全力学的エネルギーですが、理想気体だと分子間力がないので位置エネルギーがなく、運動エネルギーの和となること、仕事は力学と全く同じであるが、力を圧力表記していることをおさえておきましょう。それと、状態図は常に書いて視覚イメージを常に持つようにしてください。

気体分子の運動

いわゆる分子運動論です。理想気体を出発点とするので、分子間力がなく位置エネルギーとなるので内部エネルギーは各粒子の運動エネルギーの和、分子の体積を無視するので、分子は与えられた体積を自由に運動できることに注意してください。状態方程式を導出していきますが、途中で出る平均操作はそこまで気にしなくて結構です。

波動

波の性質

まず、波とは何かをおさえましょう。媒質の変位(ズレ)が伝わるもので、モノが伝わっているわけではないことに注意しましょう。縦波と横波の概念をおさえまでょう。波の式の立式を学びますが、ゆっくり考えればたいしたことはないので、式のゴツさに圧倒されないようにしましょう。ただ、この式も定常波の導出くらいでほとんど使いません。
あとは波の重ね合わせ(干渉)が変位の単純和ということだけおさえたら、波の性質にはこんなものがあるのかと知識として知っておいてもらったらいいかと思います。

音波

縦波の代表例としてあげられます。ですので、特有の部分はそう多くありません。開口端補正くらいでしょうか。定常波が頻発します。共鳴するときは定常波になるときか、違う媒質の上で同じ振動数になるときです。あとドップラー効果が出ますが、実は音に特有の現象ではありません。光でも起こります。はじめは原理の説明がややこしいと思いますが、そのときはまず公式を覚えてから逆算してください。慣れてきてからゆっくりと考えてもらってもいいと思います。

光波

横波の代表例です。特に重要なのが干渉(重ね合わせ)です。光学距離とは媒質内で光速が減速するものを、減速しないとしてその分距離を長くしてつじつまをあわせたものです。
干渉では、光学距離の差と反射時の位相のズレの2点が重要になります。特に距離の差を見るときに数学的近似を用いるので、そこをしっかりおさえてください。

電磁気

電場と電位

電気の基礎概念です。クーロンの法則を近接作用の考えから解釈します。山のイメージをもちましょう。傾きが電場、標高が電位。傾いたところにモノ(電荷)をおくから転がる(=力)。またモノ(電荷)を高いところまで運ぶからしんどい(=エネルギー)。そうするとわかりやすくなります。

コンデンサー

静電気の代表格です。理論部分と計算に分かれます。理論では、ガウスの法則から導いて、電気容量を導出していきますが、はじめのうちは、電気容量は電気を蓄える能力、電車でいうと車両の大きさであり、そこにどれだけ力を加えるか、すなわち電圧をかけるかで乗れる人数が決まる、すなわち電荷が決まるということです。ラッシュアワーの阪急電車の駅で黄色いお兄さんが入口を押してるイメージですね。一方計算では、直列/並列の扱いをおさえてから、電荷量保存とキルヒホッフから連立方程式をたてて解く練習をしていきましょう。

直流電流

ここも理論と計算に分かれます。計算はオームの法則とキルヒホッフで解いていきましょう。抵抗は馴染み深いので比較的はやく慣れると思います。理論ですが、説明が一本道で結構単純です。自分で抵抗の導出ができるようにしましょう。

電流と磁界

この分野のメインです。磁気についての概念は電気と同じでいいですが、メインの物理量が微妙に違うので注意。電流の作る磁場では3パターンを覚えてください。詳しいことは大学で。電磁力はローレンツ力の集合であることを理解しましょう。電磁誘導については、微分法を積極的に用いていってください。そして、自己インダクタンスを導出できるようにしましょう。ただ、この分野は学習時間が短いのを考慮してか、入試では典型パターンが多く、バリエーションがあまりありません。難しそうに感じますが、実はやりやすいです。決して諦めないように。交流は見た目派手ですが、三角関数の微分ができれば単純ですし、そもそも出題頻度が少ないので、インピーダンスさえ出せれば十分というところです。

原子

近代物理のはしりを学習するわけですが、網羅的に学ぶには高校の範囲では限界があります。ですのでトピック的な扱いになります。その分各トピックごとにこういうものがあるのだと覚えていってもらったら結構ですが、そのなかで光電効果(光子のエネルギー)、コンプトン効果(光子の運動量)、水素原子の構造の3点だけはしっかりとおさえましょう。特に水素原子の構造は、電子を物質と捉えて力学の円運動の運動方程式と、波と捉えて定常波になる条件(量子条件)の連立で解いているということをしっかり意識してください。ただ、この分野も出題頻度が少ない部分ですので、高3から学んでもなんとかなる部分です。

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