物理学実験全般について

物理学実験全般について
1．物理学実験の目的
大学基礎課程の物理学実験として、種々の測定装置の取扱
いや実験技術の習得、ならびにデータ処理の方法について習
熟すること。
2．物理学実験の概要
物理学実験は全 15 回で構成される。
②授業の予習は毎回 2 時間以上を必要とする。まず教科書と
手引き（ウェブサイトからダウンロード可）をよく読む。
実験計画書を作成する。ノートに目的、測定表を記入する。
実験によって求める物理量を明らかにしておく。また A4
サイズのグラフ用紙、関数電卓、定規、糊を用意する。
③装置に触れる前に、教科書と実験机の上にある手引の内容
を必ず再確認する。もし実験中に装置が故障したら、即教
員に申し出る。もし実験で不明な点があるときは、教員に
質問する。測定終了後に、ノートをまとめて検印を受ける。
第 1 回：ガイダンス
第 2 回：物理測定と誤差 1 （主に測定を行う。
）
第 3 回：物理測定と誤差 2 （結果を算出し、ノートをまとめ、
検印を受ける。
）
第 4-14 回：重力加速度、表面張力、オシロスコープ、共振法、圧力
測定、熱の仕事当量、電圧計と電流計、ホール効果、
ダイオードとトランジスタの特性、微小変位
（第 9 回は測定を行わず、ノートを整理する日とする。
）
第 15 回：全ての実験題目についてノートをまとめ、それを提出する。
実験室は E1 棟 4A 教室である。入室したら、まず実験計画
書（後述）を提出すること。9:00 分に出欠の確認が行われる
ので、実験場所について実験を開始すること。もしその時持
場を離れていると、欠席扱いとなる。遅刻は欠席扱いなので、
その日の実験に参加することはできない。実験は限られた回
数しかないので欠席しない。4 回以上欠席した者は単位が得
られないので注意する。欠席した者は欠席した実験回数分の
補講を必ず受ける。補講は 3 回予定されている。
（怪我、病
気などの理由で欠席した場合は、学務係にて申請する欠席届
を提出し、かつ担当教員に補講の申請をすることを条件にそ
れ以上の回数の特別補講を行うことができる。
）実験の当
日に行うことは、実験計画書の提出、測定、ノートをまとめ
て検印を受けることである。検印が完了していない者は 11：
50 まで実験室にてノートをまとめること。測定終了後、検印
を受けずに帰った者は欠席とする。次の授業に支障を来た
さぬ為、11：50 分前に測定を終了すること。
（ただし、申し
出があれば実験の継続は可能。
）
3．実験の具体的な進め方
①次回に行う実験の題目を割当表で確認する
②実験の予習をする
③実験を行う
（①～③を複数回繰り返す）
④ノートの提出
⑤物理学実験の終了
④行った全ての実験について検印を受け、検印の数が 11 あ
ることを確認後、ノートを提出する。
（JABEE 資料として
保存されるために、ノートの返却はない。
）不足がある者は
後日呼出があるので、ノート提出後の 1 週間、ウェブペー
ジと掲示に注意すること。
4．実験室利用のきまり
●実験室での飲食は禁止。
●作業しやすい服装で授業に臨むこと。ハイヒールやサンダ
ルは禁止。スカート、部屋着やスゥエットスーツは避ける
こと。白衣可（白衣の下の服装は問わない）
。
● 実験で割り当てられた器具は丁寧に取り扱うこと。
● 実験終了後、床のはき掃除をすること。
●実験室においてある手引き、書籍類や備品を持ち出さない。
5．成績評価について
5.1 評価の基準
シラバスの学習の到達目標の達成度によって評価される。
（ⅰ）全て（11 題目）の実験に出席し、それらの検印を受け、
かつ実験ノートを提出することにより 40 点を割り当てる。
更に、
（ⅱ）実験の目的・原理・測定の概要・計算過程（デ
ータ処理の方法を含む）
・考察・課題問題について、個別の
実験題目ごとに質疑応答を行い、全般的理解について評価を
行う。評価基準は以下の 5 段階である。
表 1 評価基準
項目
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
評価内容
実験計画書を提出した。
(1)に加え、目的・原理・測定の概要・計算過程
について、文章や口頭による説明ができ、測定デ
ータから妥当な結果を算出した。
(2)に加え、有効数字を適切に取り扱った。
(3)に加え、科学的根拠に基づき客観的に考察を
述べることができた。
(4)に加え、課題問題を解いた。
得点
1
2
3
4
5
（ⅰ）と（ⅱ）の合算により総得点（百点満点）を計算する。
①～⑤の説明と注意点。
①実験割当を確認して、次回に行う実験題目の確認をする。
実験割当表の見方。自分の名前を右へたどると番号が並ん
でいる。番号は授業回数（第 1 回から第 15 回）を意味して
おり、ガイダンスは第 1 回である。番号を上にたどると、
行う実験題目が分かる。実験割当表はウェブサイトで確認
できる。
5.2 採点の方法
少なくとも表 1 の項目(4)が完了していることを確認してか
らノートの検印にのぞむこと。検印を受ける時間帯は 10:00
から 11：50 とする。実験の合間を見てなるべく空いている
時間帯に検印を受ける。
（共同実験者と同時に検印を受ける
ことが望ましい。
）検印では質疑応答が行われるので、実験
内容の十分な理解が必要である。行った実験についての検印
物理学実験全般について P.1
は当日中に受けることが望ましい。もし実験当日に検印が完
了しない場合には、次回以降に繰り延ばすことになる。ただ
し検印がひどく滞ることを防ぐため、次のような措置を講じ
る。
2 週遅れは 1 点減点、3 週以上遅れは 2 点減点。
測定結果の善し悪しは成績評価とは無関係とする。但し、良
くない結果が得られた場合には原因をよく考察すること。課
題をできる限り解くこと。
縦軸と横軸は外枠から 3cm 内側に引く
外枠
検印が通らなかった場合について。一つの実験題目につい
て教員がノートを見る回数の上限は 2 回とする。
1 回目：評価基準に従ってノートのチェックが行われる。も
し表 1 の(4)をクリアできないような不足や不備があれば、そ
れが指摘される。その時に実験ノートの項目番号の左に赤ペ
ンで印が付けられて採点がされずに返却される。
縦軸の物理量を 90°回転する
(例)
赤チェック→ ● 4．結果
図の通し番号とタイトルを必ず入れる
目盛線は軸よりも内側
2 回目：評価基準に従って採点される。
※ 第 2 から 8 回の実験については第 9 回の実験日までに検印
を完了すること。また第 10 から 14 回の実験については第 15
回の実験日までに検印を完了すること。質疑応答を経ず、最後
にまとめてノートを提出する者は評価が著しく悪くなるので注
意すること。
<オフィスアワー>（※シラバスで授業担当教員を確認すること。）
高橋東之：水曜日、 16:30-18:00 ： E2 棟 504 ：
[email protected]
伊多波正徳（実験の全般的なことについて）
：火曜日、16:0017:30：S1 棟 101：[email protected]
6.2 ノートについて
●ノートは A4 判で背表紙が糸で綴じられたものを使用する。
それ以外は受理されない。表紙に太字油性マジックを用い
て大きな文字で所属学科、学籍番号および名前を 3 段で記
入すること。
● 記録は鉛筆またはボールペンを使用する。
● 一度測定したデータは消さない。書き間違いは修正して
よい。2 行くらい間隔をあけてデータを記録すると、後か
ら追加のデータを記入することができて便利である。デ
ータを訂正する場合は横二本線で訂正する。新規に測定
を行う際には新しくデータ表を作る。
＜例＞
表 2 棒の直径の測定
測定回数（回）
直径（mm）
1
1.001
2
1.001
1.000
2 行ほど空
ける
6．グラフとノートの作成について
6.1 グラフについて
グラフの作成後、次の全ての項目を満足していることを確認する。
＜☑チェックリスト）＞
□：グラフ用紙は A4 サイズ。
□：グラフはフリーハンドで描かない。直線は直線定規、
曲線は自在曲線定規や雲形定規で描く。
□：外枠より 3ｃｍ内側に、縦軸と横軸線を引く。
□：軸線に目盛を引くときには横軸よりも上、縦軸よりも
右に引く。
□：横には独立変数（ x ）
、縦には従属変数（ f（ x ））をとる。
□：横軸と縦軸のほぼ中央に物理量と単位を入れる。
□：特性は軸に対してほどよく収める。
□：複数の特性を比較する場合は縦軸のスケールを統一する。
□：測定点はテンプレートを使い○、△、□、等で表す。
□：パラメータの条件を記す。
□：図の下に図の通し番号とタイトルをいれる。
（専門科目の教科書の図を確認する。
）
●新たな実験題目は左ページの初めから記入を始める。
●整然と、かつ他人が判読可能な程度丁寧に記入して改めて
清書しない。もしノートを忘れたときには、レポート用紙
にデータを表形式で記録してそれをノートに糊付けする。
●手計算や memo などは右ページに書き、余白が残ってもそ
れ以外の用途には使わない。グラフや計算用紙は右ページ
上の部分で糊付けする。紙をめくれば下の memo や計算が
見えるようにする。
●計算は式に数値を代入したところまで書き込み、他人が計
算過程を確認できるように記入する。
物理学実験全般について P.2
<ノートの左ページ>
<ノートの右ページ>
第 2 回題目：物理測定と誤差（もし第 2,3 回目が同じ実験ならば、第 2、3 回とする。
）
2015/ 10/14
気温 18 ℃ 気圧 1013 hPa、湿度 60 ％
（もし第 2,3 回目が同じ実験ならば、この部分に第 3 回目の実験日と気象条件をかく。
）
×××グラフや計算用紙はこの位置に糊づけする×××
（めくると、下の内容が確認できる）
共同実験者：日本太郎
１．目的
計算とメモ
実験の目的を 3 行くらいで明確に示す。求める物理量を明示する。
①物理量を求めるための式を書く。
２．原理
②具体的に数値を代入した式を書く。
実験計画書をこの部分に糊付けする。ノートからはみ出ないように、適宜折ること。
３．測定データ
③最後に、単位を忘れずに、計算結果を書く。
［例］立方体の体積の計算
下の(a)-(d)を書く。
V＝ABC
＝10.0(m)×10.1(m)×10.3(m)
←(a) 表の上に表の通し番号とタイトルを書く
表 1 棒の直径の測定
測定回数（回）
直径（mm）
＝1.04×103(m3)
←(b)物理量とその単位を書く
１
1.001
←(c)数値だけ(単位は入れない）記入する
※ 式に数値を代入する際、なるべく MKS 単位にそろえ
２
1.000
←(d)必要な罫線（縦線と、物理量と
てから計算する。また計算スペースが足りなければ、別紙
データを分ける横線）をかく
に書いて、その上部をノートに糊づけする。平均をとるよ
４．結果
うな計算は省いてもよい。
求めた物理量を簡潔に示す。条件や単位も示す。結果が 1 つであれば 1 行で、結果が複数
であれば表にまとめる。結果の有効数字を文献のデータの桁数に合わせないこと。
［例］
本実験によって得られた重力加速度は 9.801m/s2 である。
（実験室の北緯は北緯 36°36′）
結果の有効桁数は測定したデータの桁数によって決
５．考察
主語と述語をきちんと対応させること。書く内容の例を次に挙げる。
まる。文献のデータの桁数に合わせる必要はない。
(Ⅰ)実験によって得られた結果と比較の基準となる理科年表や物理定数表のデータ等を具体
的数値で挙げて、両者を定量的に(具体的数値で)比較する。 (Ⅱ)グラフについて述べる。
グラフ上のデータが現象を支配する式を満足しているか否か。また特異なデータの存在があ
10
を文献で調べる。 (Ⅴ)他の方法との比較。それぞれの方法のメリットとデメリットを挙
げ、比較する。 (Ⅵ)その他。また、引用した文献は著者、文献名および出版元を記すこ
E(mV)
ればそれについて説明する。 (Ⅲ)結果に対する誤差の評価。 (Ⅳ)関連する工学的応用の例
5
と。スマートフォンで調べた情報は単なる糸口であることがほとんどである。図書館にある
専門家が書いた本を必ず調べること。
0
0
［例 1］
文献［１］によると真鍮の密度は 8.5-8.7g/cm3 であるので、真鍮の密度は 8.6g/cm3 を基準とし
2
4
6
t（deg）
8
10
図１ｔに対するE
て採用する。本実験によって得られた真鍮の密度は 8.43g/cm3 である。両者の比をとると 0.98
であり、本実験によって得られた真鍮の密度は文献の値とほぼ一致した。…
［例 2］
図 1 に t に対する E の対応を示す。原理で述べた式は 2 次式であるが、図 1 は 2 次の曲線
ではなく、1 次の直線のように見える。最小 2 乗法によって 1 次と 2 次の係数を評価する
と、 E  1.1t  0.01t 2 となった。2 次の係数が小さいため、特性は 1 次の直線に近くなって
いる。…
測定データが現象を支配する式と一致している
か否かについて述べる。もし一致していれば、
「得られた特性は原理式と同様であった。
」の様
に述べる。
特性上に乗らない特異なデータについては、そ
［例 3］
図 1 において t = 4.0deg のとき E = 3.0mV であり、このデータは特性の傾向からわずかに外
の場所を具体的にあげて、その原因を考察して述
べる。
れている。これは...の影響を受けたことによる。
文献（←最後に文献の項目を設けて引用元を明らかにすること）
1）著者名、本のタイトル、出版社名、発行年。
2）国立天文台編、理科年表、丸善、2014 年。
※ 文献の表現方法は様々ある。専門科目の教科書や学会の投稿規程を参考にする。
物理学実験全般について P.3
6.3 考察についての補足
考察では実験の各過程（例えば目的、原理、結果）での妥
当や不適当について検討する。物理学実験のように教科書に
従って実験を行う場合には、目的と原理については検討の余
地があまり無いので、主にデータや結果について考察するこ
とになる。考察では自分の考えを主観的ではなく客観的に述
べる。考察でよく使われる技術は「定量的に捉える」
、
「比較
する」
、
「分類して考える」
、
「関係性・法則を探る」
、
「見る角
度を変えて捉える」などである。
主観：当人の直観や推論に頼る傾向が強く、一定の基準や
当人以外の人にもそう認められる事実の裏付けを欠く様子。
客観：見方が公正で考え方が論理的であり多くの人に理解、
納得される様子。
●考察は 3 つ以上の項目について述べ、それぞれの項目は 5 行
以上であること。
（一つの項目について説明するためには、5 行
くらいは必要となる。
）
●主語と述語を対応させて文章を書くこと。
▲単なる思いつきを述べないこと。頭に浮かんだ幾つかの内
容について、それらが客観的に説明できなければ考察に書く
ことはできない。根拠は（できる限り）数値や式などによっ
て具体的に示す。
7．その他
●実験は基本的に名簿順に 2 人 1 組となり行う。もし授業開
始時刻から 10 分過ぎても共同実験者が来ていない場合には、
2 人または 3 人の組を作り実験を始める。
（1 人で実験できる
と判断した場合については 1 人で行ってよい。
）
●機械工学科の班分けは次のとおり。(もし不都合があれば、申し出る)
A 班（火曜日）
： xxT1001x - xxT1050x
B 班（水曜日）
： xxT1051x - （再履修者含む）
●物理学実験のウェブサイト
http://bj.base.ibaraki.ac.jp/index.html
配布資料、参考資料や実験室の机の上においてある手引きな
どをダウンロードできる。実験題目毎にページがあるので、
それを見て予習すること。
（実験机の上の手引きは持ち帰ら
ないこと。
）
●一つの文章は長くても 3 行程度に止めること。
●物理量には単位を必ずそえること。
（例：ヤング率 E は 10.06×1011 N/m2 である。
）
●有効桁数を適切に表示すること。
●実験計画書
測定を始める前に必ず実験計画書を提出すること。実験計
画書は出欠確認後に回収され、授業時間内に返却される。手
書きとし、A4 サイズ 1 枚にまとめること。上部に次を記入
する。
実験日、実験題目、学籍番号、氏名。
<< よく見受けられる、考察ではない例 >>
▲感想を述べないこと。
「内容が良く分からなかった」
、
「面
白かった」
、
「難しかった」
、
「時間が無かった」など。文章の
最後の述語をみれば、内容が直ぐに分かるので、この様な表
現は使わない。また教科書どおりに実験を行えば精密な結果
を得られるため、
「成功した」の様な表現も避けること。
▲妥当な結果が得られなかったとき、それを誤差の一言で説
明しないこと。誤差は凡そ次のように分類される。
Ⅰ）系統誤差
a）器械的誤差（測定器の不完全、使用法の誤りによるもの）
b）個人誤差（観測者の癖によるもの）
c）理論誤差（理論の誤り、省略によるもの）
その下に実験の原理を記す。原理は文章、式および図でまと
める。用紙の裏を使用してもよい。
（実験計画書を作成する
時間は約 60 分を目安にする。30 分以下で作成したと判断で
きるものは再提出を要求する。
）返却された実験計画書はノ
ートの左ページの原理の所に、実験計画書の上部を糊付けし、
ノートからはみ出たところは適宜用紙を折りこむ。折り込み
を開くと、下に記録されている内容が確認できるようにする。
実験計画書を忘れたものは翌実験日に提出すること。授業中、
測定前に実験計画書の作成はしないこと。
●有効数字の理解度の調査
有効数字の理解を確認するためのミニテストを、第 1 回目と
第 9 回目の授業に予定している。ミニテストに必ず合格して
有効数字についての理解を確実にすること。
Ⅱ）過失誤差（不注意による測定間違い）
Ⅲ）偶然誤差（観測者の支配しえない環境の微細な変化などに
より、偶然に、しかも必ず起きる原因不明の誤差）
出来る限り誤差の範囲を狭めるべきである。相対誤差を計算
すれば、結果が測定精度の範囲内にあるか否かについて述べ
ることができる。もし結果がその範囲に収まれば、測定精度
の範囲内で測定できたことになる。もし結果がその範囲外で
あれば、測定精度の他に誤差の原因が存在することになる。
物理学実験全般について P.4

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