サイエンス入門
T・U巻の構成
［T］
第1講 エネルギーと仕事率と爆発の物理
第2講 原子と熱
第3講 重力と力と宇宙
第4講 原子核と放射能
第5講 連鎖反応と原子炉と原子爆弾
第6講 電気と磁気
第7講 波──UFO、地震、音楽など
［U］
第8講 光
第9講 不可視光
第10講 気候変動
第11講 量子物理学
第12講 相対性理論
第13講 宇宙
T巻目次
はじめに 3
本書を読む前に 22
第1講
エネルギーと仕事率と爆発の物理 25
@ 爆発とエネルギー 28
「エネルギー」と「熱」の定義（覚える必要なし） 29
物質のエネルギー量を比較する 30
エネルギーの比較表に基づく検討 31
◎TNT （火薬の主成分）vsチョコチップクッキー
──クッキーのほうが4〜8倍エネルギー量が多い 33
◎電池 vs ガソリン
──車のバッテリー（電池）には同重量のガソリンの340分の1の
エネルギーしかない 36
◎電池式自動車──短所、長所、理論的可能性 37
◎電気自動車の将来性──カギは電池の性能向上とコスト 38
◎ハイブリッド車 39
◎水素 vs ガソリン
──水素を燃料電池で使用する場合を含めた検討 40
◎ガソリン vs TNT 42
◎ウラニウム vs TNT 44
石炭──低コストだが汚染の問題あり 45
エネルギーのさまざまな形態
──食物エネルギー、運動エネルギー、核エネルギー 48
エネルギーは「保存」される 50
エネルギーを測定する際の方法と単位 52
A 仕事率 54
仕事率とは?──エネルギーが移動する速度のこと 54
仕事率の単位──ワットと馬力 54
仕事率の実例と、その比較 56
◎太陽光と太陽エネルギー──理論的可能性と問題点 59
◎人力 61
◎ダイエット vs 運動 62
◎風力 64
運動エネルギー──計算法と特徴 65
◎爆薬を使わず運動エネルギーで物体を破壊
──スマートロックとブリリアントぺブル 68
◎恐竜を絶滅させた小惑星の運動エネルギーの計算 69
お金は私たちを行います
第2講
原子と熱 73
@ 熱に関する4つの疑問 74
A 原子と分子と熱の正体 75
音速──分子の速度とほぼ同じ秒速330メートル 79
光速──秒速3億メートルは速いか遅いか 81
熱が持つ膨大なエネルギー 82
ラジオの雑音とテレビの砂の嵐──原因は中を飛び回る電子 83
B 温度 84
温度とは?──運動エネルギーを測定したもの 84
熱力学の第0法則
──接するもの同士は同じ温度になろうとする 85
◎第0法則に従って宇宙に逃げた、地球の水素 87
◎宇宙の「低温死」とは何か 88
温度スケール 89
◎摂氏と華氏 89
◎絶対温度スケール（ケルビン温度スケール） 90
スペースシャトル「コロンビア」の悲劇の原因となった高熱 92
◎自由選択学習 ： くわしい計算 94
熱膨張の実例──橋と歩道のひび割れとニューオリンズの堤防 94
地球温暖化と海水面上昇 97
◎冷えれば何でも縮むのか? 98
伝導──運動エネルギーの共有と移動 99
固体、液体、気体、プラズマ 100
◎TNTの爆発──固体が瞬時に気体化し、膨張 103
気体の温度と圧力の関係を表す「理想気体の法則」 105
◎自動車のエアバッグの膨張の仕組み 106
◎自動車──ボンネットの下で起きている爆発 106
◎熱機関とは? 107
◎有効変換されるエネルギー、むだになるエネルギー 108
◎熱機関の効率の限界 109
冷蔵庫と熱ポンプ（エアコン） 111
熱力学の4つの法則（まとめ） 114
熱の移動の3つの形態──伝導、対流、放射 115
◎自由選択学� � ： エントロピーと無秩序 116
ジャージの人たちからカートンに何が起こったのか
第3講
重力と力と宇宙 121
@ 重力に関する4つの謎 122
A 重力の基礎知識 124
B 引っ張り合う重力──ニュートンの第3法則 127
C 「無重量」とはどんな状態か 128
軌道飛行する宇宙飛行士は永久落下状態にある 128
衛星と軌道 130
無重量環境での「宇宙の工場」の実現性 133
D 宇宙への脱出 135
地球軌道からの離脱には秒速11キロが必要 135
物を落下させる力──g 136
「Ｘプライズ」の例の検討 138
◎自由選択学習 ： 100キロメートル落下したときの速度の計算 138
E 空気抵抗と燃料効率 139
「gの法則」──必要な加速力の算出法 140
◎衛星や宇宙飛行士を大砲で撃ち上げられるか? 142
◎飛行機の離陸時の加速度の算出 143
円周加速度 144
SFにおける宇宙の重力 146
ブラックホール──強力な重力を持つ 147
F 「運動量」とは何か 150
◎自由選択学習 ： トラックに蚊がぶつかったら 154
G ロケットの原理 155
風船と宇宙飛行士のくしゃみの力学 157
「スカイフック計画」などの実現性 158
イオン・ロケットの可能性 159
H 飛行機とヘリコプターの原理 160
熱気球とヘリウム風船の場合 161
「水に浮く」原理との比較 163
高度による気圧変化の影響の算出 164
I 対流とは?──雷雨とヒーターを例に 166
ハリケーンと高潮 167
J 「角運動量」と「トルク」 168
のようなエミューを見て何をしない
第4講
原子核と放射能 173
@ 放射能 174
原子と原子核の構造 174
元素と同位体 179
放射線とは? 放射能との違いは? 181
放射線の単位──レムとシーベルト 183
◎放射線の50％致死量は300レム（3シーベルト） 185
放射線とガン 186
◎線形仮説──ごく低い線量でも発ガン効果ありとする仮説 188
◎X線の妊婦と胎児への影響 191
◎X線写真撮影によって高まる発ガン率の計算 192
放射線によるガンの治療 193
放射能汚染爆弾 194
放射線とは何か?（まとめ） 196
人体にも放射能がある 199
「半減期」という不思議な現象 201
◎放射性崩壊──放射能の減少 202
◎原子核は死ぬが、年はとらない 204
◎放射能による年代測定法 204
環境放射能 207
◎生活の中での被爆 207
� � ◎地球内部の放射能──火山熱、ヘリウムなど 208
◎ほとんどの原子が放射性でないのはなぜか 210
◎自由選択学習 ： 放射能の原因──「弱い力」とトンネル現象 210
放射能は感染するか 213
放射能による犯罪捜査──「中性子放射化」 214
プルトニウムの特性 215
A 核分裂 216
B 核融合 218
メガ電子ボルト（MeV）という単位 220
なぜ世界はおもしろいのか──核融合と世界の多様性 221
◎自由選択学習 ： 核融合のくわしいプロセス 222
なぜ地球上では核融合が起こらないのか 223
太陽はどうして核融合を起こすほどの高温になったのか 224
第5講
連鎖反応と原子炉と原子爆弾 227
@ さまざまな連鎖反応 228
チェス盤で理解する連鎖反応の基本 228
核爆弾──核分裂の連鎖反応 231
胎児──子宮の中の連鎖反応 234
ガン──望まざる連鎖反応 235
大量絶滅からの生物の連鎖反応的再繁殖 236
DNA指紋法──ポリメラーゼ連鎖反応（PCR） 238
◎PCRの応用 ： 無罪か有罪か ；
トマス・ジェファーソンとサリー・ヘミングス 239
病気と流行──ウイルスやバクテリアの連鎖反応 241
コンピュータウイルス──電子の連鎖反 242
なだれ──岩や雪の連鎖反応 243
稲妻──電気のなだれ的連鎖反応 243
ムーアの法則──コンピュータの指数関数的成長 244
A 核兵器の基礎知識 246
臨界質量──連鎖反応に十分な核物質の量 247
ウラン爆弾とは 248
プルトニウム核分裂爆弾とは 250
水素爆弾とは 253
◎強化原爆 256
米国とロシアの現在の核兵器保有量 256
B 原子炉 259
原子炉とは 259
原子炉は原爆と同じように爆発するのか 261
◎自由選択学習 ： 低速中性子とウラン235 262
プルトニウム製造のプロセス 263
◎増殖炉とは? 長所と短所 265
プルトニウムの危険性 266
17億年前のアフリカの天然の原子炉 269
原子炉で必要となる燃料の量 270
◎自由選択学習 ： ウラン235の必要量の計算 271
C 放射性廃棄物 272
チャイナ・シンドローム──想定上最悪の原子炉事故 275
◎チェルノブイリ事故による想定死者数は2万4000人
（線形仮説に従った場合） 277
◎避難活動のパラドックス──発ガン率1％上昇は多いか少ないか 278
制御核融合発電（コントロールされた水爆）は可能か?
──3つの方法 279
◎トカマク炉による方法 281
◎レーザー核融合による方法 283
◎常温核融合による方法 286
第6講
電気と磁気 291
@ 電気といえば…… 292
A 磁気といえば…… 293
B 電気 293
電気とは「電子の移動」のこと 293
電荷とは「電子が力を及ぼす性質」のこと 294
「電荷は量子化されている」とはどういう意味か 296
電流──電荷を持つ粒子の移動 296
◎自由選択学習 ： 1日1アンペア使いつづけると
いくつの電子が流れたことになるか 297
電線──電子を通すパイプ 297
電気抵抗とは 299
抵抗がゼロの物質──超伝導体 300
◎「高温」超伝導体 301
ボルト──電子エネルギーの測定単位 302
静電気の火花発生のメカニズム 304
C 電力 307
電力（ワット）＝電圧（ボルト）×電流（アンペア） 307
静電気は高電圧×低電流。雷は高電圧×高電流 308
電気とカエルの足とフランケンシュタイン 309
家庭の電力 310
高圧送電線──電流量と電力損失を減らせる 311
電気力は電子間の距離の2乗に反比例 312
D 磁石 313
それ自体が磁力を持つ「永久磁石」。
電流を流して磁力をつくる「一時磁石」 313
最古の天然磁石・磁鉄鉱（方位磁石） 314
磁気とは?
──電気の作用の一形態。電荷の移動で電荷間に生じる力 315
メモを貼るマグネットの磁気も、
電流によって生じる 316
仮説上の物体「磁気単極」とは 318
磁力の有効範囲 319
E 電磁場とは 320
F 電磁石 322
エネルギーの損失が少ない超伝導電磁石 323
液体鉄中の電流で生じる地球の磁気 324
磁性物質──鉄の特殊な役割 324
残留磁気 327
磁気記録の原理 328
キュリー温度まで加熱すると磁性は消失する 329
レアアース磁石──ひじょうに強力 330
磁気を利用する潜水艦の探知 330
G 電気モーターの原理 331
H 発電機 332
原理 332
ダイナモとは 333
アインシュタインの謎を解く「地球ダイナモ説」 334
地磁気の逆転 335
地磁気の逆転と地質学 336
地磁気と宇宙線 337
I 変圧器とは 339
テスラコイル 340
J 磁気浮上 341
K レールガン 343
L 交流vs直流 344
エジソンとテスラの確執 345
第7講
波──UFO、地震、音楽など 349
@ 奇妙だが本当にあった2つの話 350
ニューメキシコ州ロズウェルに墜落した空飛ぶ円盤 350
第二次大戦中にパイロットを救った奇跡の球 352
A 波 354
水の波、音の波、光の波 354
波束──短い波 356
音 357
横波と縦波 362
◎水面波 363
◎浅水波 364
◎津波の特性 365
◎津波から逃げ切るには 366
波の方程式──速度＝周波数×波長 368
音はつねにまっすぐ進むとは限らない 369
◎「通常大気」の場合 370
◎夕方の音の場合 371
◎日中の音の場合・その2 372
◎夕方の音の場合・その2 372
◎朝遠くの音が聞こえる日は暑くなる。なぜか 374
奇跡の玉と音響チャンネルの謎解き──収束音 375
◎奇跡の球SOFARは
いかに撃墜されたパイロットを救ったか 376
◎音響チャンネル内で聞こえるクジラの歌 378
冷戦と音響監視システムSOSUS 379
ふたたびUFOへ──大気中にもあ る音響チャンネル 380
◎オゾン──高高度の温度上昇の原因 381
UFO騒動の真相
──ユーイングのモーグル計画とフライング・ディスク 382
◎1947年のロズウェルの墜落事故 384
◎アメリカ政府、ついに真実を語る 385
◎政府がいまは嘘をついていないとどうしてわかるのか 385
地震 386
地震の震源を特定するには 389
◎P波 390
◎S波 390
◎L波 390
◎震源までの距離の計算・その2 391
地球内部の液体核 392
波は相殺／増幅する 394
◎「うなり」とは 397
音楽──音と音程 398
◎ノイズキャンセリング・イヤホンの仕組み 400
音の波長を算出する 401
ドップラー偏移とは 402
なぜ波は遅い側に曲がるのか──ホイヘンスの原理 403
波の広がり──隙間を通ると波は広がる 405
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