\documentclass{jarticle}               % 絶対に必要なおまじない
\usepackage{graphicx}               % figure  はりこみ
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\title{ 物理学実験III}                        %
\author{高嶋隆一\thanks{高嶋研}\\       %\\は強制改行
京都教育大学}

\begin{document}
\maketitle

\vspace{2cm}                    %空白を作る
%\tableofcontents                %目次を付けたいならこのように

\section{はじめに}              %\section, \subsection, \subsubsection
物理学実験IIIでは、実験を自分で考えながら行うこという点を重視する。テー
マは6つ行う。テーマ毎にレポートを作成し、2週間毎に発表する。レポートは実験
の目的、方法、結果、考察、まとめ、参考文献等の項目をつくりまとめること。実験目的、方法につ
いても、自分で思い付いた課題があれば加えたり、示された手続きのうち必要ない
と思えばけずっても良い。考察のヒントについても実験指導者の思い付きに過ぎな
いので同様に取り扱うこと。できればptexを使用してレーポートを作成することが
望ましい。自分でノートパソコンを買った人はwindonwsにいれてもよい。またノー
トパソコンのハードディスクを分割してLinuxをいれてもよい。

本実験では発展する現代の科学と教員養成と理科系大学基礎教育の間の橋渡しをするこ
とを視野に入れて課題を構成することをこころがけている。少し難しい面があれば、
実験する人の問題意識で、課題の変更も考える。課題2、3、4、5は一つの机に用意
してあるが、6、7と8、9はどちらかを選択するように考えてある。この他にも行い
たい実験があれば提案すること。


\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{マイクロ波の反射、回折、干渉など波動現象}
電気振動によって発生する、マイクロ波を使って実験する。これは波長が数セン
チから数ミリといった領域の電波と考えられる。

\subsection{準備}
マイクロ波発生装置、受信器、デジタルボルトメーター、ものさし、回折格子、
反射板、パラフィンブロック
\subsection{実験方法}
まずマイクロ波発生装置と受信装
置が動作していることを確認する。マイクロ波発生装置は
100V電源の接続のみで動作する。受信器からは直流の電圧が出て来るので、デジタ
ルボルトメーターを接続する。遠くになるしたがって電圧はどのように減るかを計
測せよ。

マイクロ波の回折を回折格子を使って観測する。回折現象を観測するのに必要な、
マイクロ波発生装置、受信器、回折格子の配置を考える。物差し、グラフ用紙などを
使ってマイクロ波の波長を精度良く測る工夫を行う。
反射板、パラフィンブロックを使って反射、屈折率の異なる面での全反射を観測せよ。
\subsection{考察のヒント}
マイクロ波と言うと波長は赤外線に近いと思われる。電子レンジで使われている波
長はいくらか。
%\begin{quote}
%\begin{verbatim}

%\end{verbatim}
%\end{quote}
\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{宇宙線の観測と計数}
プラスチックシンチレータを使って宇宙線の観測と計数を行う。計数を行うため
の信号処理、回路モジュールについて学ぶ。
\subsection{準備}フォトマル用高圧電源、プラスチックシンチレーションカウンター、オッシロスコープ、NIM電源BIN、ディスクリミネーター、カウンター、デジタルボルトメーター、時計ドライバー
\subsection{実験方法}
プラスチックシンチレーションカウンターの信号をオシロスコープで観測する。光
電子増倍管のアノードA1,A2のどちらか一方には50オームのターミネーターがささっ
ている必要がある。ケーブルを接続する場合は50オームの細いケーブルを使うとき
は、外すときにスリーブを持って行う必要がある。ケーブルのロック機構について
前もって良く見ておくこと。宇宙線の信号と、光
電子増倍管の信号の違いについて、オシロスコープで確認する。トリガーレベルと、
時間軸ノブ、電圧ノブを調整して、信号を見る。信号は負極性で、立上り時間が
20nsec程度である。信号のピーク電圧は数百mVである。高電圧を徐々に
1.7KVまでかけていって信号が大きくなってくることを確認する。

ディスクリミネーターに、光
電子増倍管の信号を接続し宇宙線のみを計数するように、スレッシュホールドレベ
ルを調整せよ。通常は100mV程度であることが多い。ディスクリミネーターの出力
パルスは立上りの速い負極性の600mV程度のパルスである。このパルスのことを
NIM信号と呼ぶ。これはECL(Emitter Coupled Logic)信号のベースラインを0Vになるように移動したものであ
る。この信号を計数回路に接続し10秒あたりの宇宙線の数を20回程度計数せよ。

また計数の信頼性を調べるために左右の信号をディスクリミネーターに入力し、
左右の信号の同時計数をコインシデンス回路というものを使うことによって行え。
このとき、コインシデンス回路に入力される片方の信号を遅らせることによって
同時計数の値がどう変わるかを調べよ。


\subsection{考察のヒント}
光電子増倍管の仕組みについて文献で調べること。高電圧は負極性である。光電子
増倍管の出力パルスが負極性であることの理由を述べよ。プラスチックシンチレー
ターの発光機構について調べよ。荷電粒子と物質の相互作用について調べよ。
地上で観測されるのはミューオンと呼ばれる粒子である。これについて調べよ。
よくつかわれる電気パルスにはTTL(Transister Transister Logic)信号とECL信号があるがこれについて文献で調べ
よ。

\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{パルス発生器と伝送線の実験}
情報技術において重要なことの一つにパルス信号をいかに高速に高い信頼性で伝えうる
かということがある。パルス信号を伝える伝送線
のインピーダンスについて学ぶ。
\subsection{準備}テクトロニクス デジタルスコープ、パルス発生器、10mケーブ
ル、5mケーブル、
終端抵抗(0オーム,50オーム等)、シグナルデバイダ
\subsection{実験方法}
パルス発生装置からTTL信号にレベルを会わせた信号を発生させる。これは0V、
5Vからなる信号のことである。これをシグナルデバイダでふたつに分割し片方をオ
シロスコープで観察しもう片方に10mケーブルを接続する、オシロスコープのもう
一つの入力には分岐コネクタを接続し、50オーム、0オームの終端抵抗を入れた場
合、開放した場合のシグナルを観測する。5mのケーブルをつないでから同様に抵抗
を入れたときの信号を観測せよ。

同軸ケーブルの、容量とインダクタンスを測定する。LCRメータの電源を入れる
と容量をはかるモードになる。画面にはC$_p$と表示されている。容量なので終
端は開放のままはかる。次にインダクタンスを測定する。左側上の列のModeボタ
ンを押して、測定モード選択画面にする。次にL$_s$と表示されるところが点滅
するように右の方にあるカーソルキーを押す。エンターキーを2回押すとL$_s$測
定モードになる。終端を短絡ができるようになっているコネクターを取り付けて
インダクタンスを測定する。この二つの値を使って、ケーブルの中を伝わるパル
スの速度$v_c$と特定インピーダンス$Z_c$を求めよ。これらについては「物理の
ためのエレクトロニクス」p178に解説がある。これらは以下の式のようにあら
わされることがしられている。
\[
v_{c}=\frac{1}{\sqrt{LC}},Z_{c}=\sqrt{\frac{L}{C}}
\]

\subsection{考察のヒント}
信号ケーブルのインピーダンスはどのように決まっているのか。またインピーダン
スはケーブルの単位長さあたりのインダクタンスと容量で決まっているがこれを測
るやりかたを考察せよ。
\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{回折格子の作成、ホログラムの作成}
ここで取り扱うホログラムはもとの画像をフーリエ変換によって作成したものであ
る。この手法は周期構造を持ったものを回折させて別の画像を得る点で、結晶の解
析手法と似ていることが分かる。以下のURLに詳しい作り方の説明があるのでこれ
に沿って実験を行う。
\begin{quote}
http://www.straycats.net/news176.htm

http://www.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/oyl/Cholo/Cgh/homemade.html
\end{quote}
\subsection{準備}
パソコン、カメラ、フィルム、レーザーポインター
\subsection{実験方法}
自分の変換したい画像ファイルを用意し、フーリエ変換を行って特殊な回折格子を
作成する。ホームページに書いてある方法で、回折格子をフィルムに焼き付ける。
レーザーポインターをフィルムに当てることによって画像を再生する。
\subsection{考察のヒント}
これから回折画像から実画像を得る方法がフーリエ変換と結び付いていることを考
察する。高分子の結晶の回折画像から分子の実画像を得るにはどうするべきか?


\newpage   
\section{過冷却の実験}
DACを使った温度計測プログラムを使って冷蔵庫のなかの水の温度を計測する。過
冷却の水をそおっと取り出して、瞬間的に凍ることを確認せよ、
\subsection{準備}パソコン(ボードつき)、温度計測器、冷蔵庫、タッパー、水
\subsection{実験方法}
ケースレー195Aを使って温度計測ができるようにする。センサーを大きなタッ
パーに入れて冷蔵庫に入れる。凍る前に取り出してふると瞬間的に凍るかどうかを
しらべよ。
\subsubsection{測定プログラムの解説}
keisankiというフォルダ中ののhelloというフォルダを開く。この中のhelloとい
うファイルがソースファイルである。これをダブルクリックするとVisual C++の
開発環境が立ち上がる。プログラムはC言語で書いてあるがやっていることは単
純である。まずGeneral Purpose Interface Bus略してGPIBを初期化してやる。
このGPIBの関数ライブラリの解説はCONTECW95￥Gpib5tdというヘルプファイルに
詳しく書かれているのでこれを見ながら以下の文を読んで欲しい。Visual C++の
開発環境ビルドメニューの設定のところでリンクのライブラリ名に
apiGpib1.lib, apiGpiib2.lib, apiGpib3.lib, apiGpib4.lib が含まれていない
とコンパイルできないので注意する。 
\subsubsection{測定方法}
サーモスコープの電源を入れて、水の冷却を開始する。設定温度はできるだけ低
くしておく。温度が5度ぐらいになったらプログラムを開始して、記録をはじめ
る。30分ぐらいの計測で冷却の様子がわかる。これをカレイダグラフを使ってグ
ラフにプロットする。
\subsection{考察のヒント}
過冷却で安定する温度はいくらの範囲となるか?凍るときに温度が上がるのはなぜ
か。
\newpage   
\section{JAVA、Tcl/Tkを使ったGUIプログラムの作成}
実験物理学では装置の制御にJAVA、Tcl/Tkを使うことが多い。これらは高度なプログラミ
ングの知識を必要とする。またオブジェクト指向プログラミングについて学ぶため
にはさらにC,C++について学ぶ必要がある。
\subsection{準備}パソコン(ボードつき)

\subsection{実験方法}
温度計測に使っているプログラムをJAVA、Tcl/Tkを使ってGUIで使えるようにせよ。


\subsection{考察のヒント}
さまざまな参考書を使うこと。

\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{電子回路教材を使った実験}
現代の科学技術は電子回路技術にの発展によるところが大きい。基礎的な回路技術
を実習すること無しに、実際の研究の場で使われている測定器の開発研究を行うこ
とはできない。電子回路教材に載っている、いろいろな回路についての実験をおこ
なう
\subsection{準備}オッシロスコープ、ブレッドボードまたは回路実験キットと指
導書
\subsection{実験方法}

フリップフロップ回路の作成と解析。電子回路実習の中で良く出てくるフリップフ
ロップ回路について実際に作ってみて動作を学ぶ。

単安定マルチバイブレータを使ったパルス回
路の作成。発振回路はデューティ比が50％になるがこれでは回路実験には不向きで
ある。デューティ比を変える方法を考えること。
\subsection{考察のヒント}

\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{ストロボ発光装置を使った弦の振動の可視化の実験}
振動や波動現象の理解は物理学の理解にとってかなり障害になる。ストロボ装置を
使うことによって弦の振動を分かりやすく示す方法を研究する
\subsection{準備}
ストロボ発光装置、音響共鳴箱、おもり、オッシロスコープ、マイクロホン
\subsection{実験方法}
弦を張った音響共鳴箱のおもりを変えることにより、弦の張力を変化させて音の周
波数がどのように変化するかを調べよ。
\subsection{考察のヒント}
基本振動や倍振動がどのように発生するかを調べる。共鳴箱が弦の振動に共鳴する
条件を調べる。

%\begin{quote}
%http://wsunix.kyokyo-u.ac.jp/~takasima/index.html
%\end{quote}


%\begin{figure}
%\includegraphics{current.eps}
%\caption{ボルタの電池の電流の温度依存測定装置}
%\label{borta}
%\end{figure}

\begin{thebibliography}{99}
%\bibitem{sakamoto} 坂本、高エネルギー屋のためのユニックス入門
%\bibitem{takahashi} 早野、高橋、計算物理、共立出版
%\bibitem{hirata2} 平田、パソコンによる物理計測入門、共立出版
%\bibitem{tokari} 戸狩、津坂、パソコン計測制御とインターフェース活用法、
%	技術評論社
%\bibitem{fukushima}福島、芝原、ブラウン運動の簡単な観察法、フォーラム理科教育 No.1 p49-53
\end{thebibliography}
\end{document}