物理学とはどんな学問か

物理は自然現象を数学を用いて解き明かす学問です。近代的な物理は数学を当然のように扱う学問となりました。客観的に誰が見ても正しいというためには、客観的な「値」こそが正しさの指標になります。ここに数学が伴ってしまうのは必然でしょう。数を扱うのですから。こうして、自然現象を数学的に記述して説明をしようとするのが物理学という学問なります。

物理学に必要な力

1. 直感

直感とはたとえば、単振動の振動中心では速度が最大になり、端では0になる。などと、物理的現象についてのイメージをある程度もつことです。物理的直感を日頃から付けていかないと、「自然現象ありえない結果」が出てきたときに「ありえない」と判断することが難しくなります。

2. 数学知識

物理学(最早science全体)は数学を道具として用い自然現象を解き明かす学問です。なので、難しい数学の扱いにも慣れて計算できるようにする訓練が別に必要です。たとえば、磁束の計算で一般的には\(BS\)(正確には\(BS\cos{\theta}\))という風に習います。しかし実際に磁束を正確に計算するには、「ある閉曲面を無限小の面積素片に分割し、そこに立てられる法線ベクトルと磁束密度の内積を積分する」という操作が厳密には必要です。とは言っても、初めて学ぶ人にそう教えたところでポカンとしてしまうでしょう。ですから、初めはある程度単純化した状態で理解してもらい、「螺旋的に」ふたたび戻ってきて学び直す。そういう、言ってしまえば「メンドウ」な作業が物理学では必須です。

3. 計算力

私のかつての恩師山本義隆先生は、学生時代に江沢洋先生の東大での量子力学演習の講義に出席しておられ、そこで多くのことを学ばれたと複数の著書で触れています。最近出版された『量子力学的世界像』(日本評論社, 江沢洋・上條隆志 編)においてこう述べています。

(以下引用)『量子力学的世界像』(p283より)

    「…与えられた問題をとおり一遍のやり方で解いて満足するのではなく、自分で話を広げ、自分で問題をさらに設定するように、促されていたように思う。…こうして私たちは、すくなくとも私は、物理の学習とは、思いついたことは何であれ計算してみることだと学ぶことになった。必ずしも一通りの正解があるわけではなく、思い切って自由に様々な角度から考えてみることが重要であり、そしてその考えるということは、労力を厭わずに実際に手を動かして計算してみること、その上で計算結果を物理的に吟味することだということを学んだのであった。

したがって、計算を実際に「やりきる」という力がどうしても必須になります。計算が間違えば物理的な吟味にも曇りがでます。計算がやりきれなければ吟味すらもできません。

物理学に必要な力をつけるために

1. 直感をつけるために

直感を養うには、日頃から物理的な現象について考えることはもちろん、実験を通して物理を学ぶことが重要です。しかし現在の高校においては、設備費・実験に対する知識をもった教員が全員というわけでもないため、実験をしない学校が多いです。これでは、物理学が実験を伴わない「ただの座学」になってしまいます。物理を学ぶ初期段階においては、実験を用いて教科書レベルのことを検証していくつもりで学ぶ姿勢が重要になります。

2. 数学知識をつけるために

これは現状の高校カリキュラムにおいては難しいです。たとえば、高校物理は微積分を用いた数学を扱う方が見通しよく計算することができます。しかし、実際に微積分を学ぶのは公立高校では受験の直前くらいで、もはや高校3年生なのです。高校3年生から物理を学び直している暇は正直ありません。したがって、やはり「分かっている人」から管理されつつ、数学の学びを早めに拡げていくことが大切になります。自学自習で微積分まで高校数学を学び切れる人は、先生の手を借りずとも問題ないでしょう。

3. 計算力をつけるために

これは数学知識とは異なり、純粋な計算力を養うことですから、日頃の数学の学習において計算をしっかりやりきる力をつけていくことが重要となります。とくに数学2・B・3においては計算が複雑になります。センター試験レベルで言えばベクトルの内積を含む計算や、数列の一般項の和の計算であったりといった基本的な計算を確実にできる基礎訓練を積む必要があるでしょう。

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