2 年: 基本法則を学ぶ

電磁気学の到達点は、電場と磁場のふるまいをまとめたマクスウェル方程式です。現在の教科書では 4 本の式で書かれ、静電気、電流がつくる磁場、電磁誘導がすべてここから導かれます。東京理科大学の電磁気学 2 では、この方程式を、物質の中(誘電体や磁性体)へ広げます。

イギリスのマクスウェルは 1862 年ごろ、電場と磁場の波が伝わる速さを計算し、光の速さとほぼ同じになることに気づきました。そこから、光は電磁場の波だと考えたのです。1888 年には、ドイツのヘルツが、実験で電磁波をつくり出して確かめました。

下の図は、その計算を、現在の定数の値でなぞったものです。電気と磁気の実験で測る 2 つの定数から、秒速約 30 万 km という光の速さが出てきます。電気・磁気・光が 1 つの現象だと分かった瞬間を、電卓 1 つで追いかけられます。

スマートフォンの通信や電子レンジも、この電磁波の性質を使っています。2 年で学ぶ式は、身の回りの技術の土台そのものです。

2 年の学生実験では、物理学の歴史を動かした実験を自分の手で再現します。東京理科大学の物理学科の物理学実験 2 では、16 の候補から選ばれた題目に取り組みます。光の干渉・回折・偏光、電界・磁界中の電子の運動、プランク定数の測定、フランク・ヘルツの実験、ブラウン運動などです。

電子を磁場で曲げる実験では、薄い気体を入れたガラス球の中で、電子の通り道が光る円になって見えます。円の半径と磁場の強さから、電子の電気の量と質量の比(比電荷)が分かります。

この実験は 2 人 1 組で進めます。4 週間を 1 単位として、2 回実験をしたあと、ペアで発表の準備をし、10 分の発表と 5 分の質疑を行います。これを 1 年で 6 回くり返し、測った結果を人に伝える力も鍛えます。

電子 1 個が持つ電気の量(電気素量)は、1910 年にアメリカのミリカンが精密に求めました。2 枚の金属板の間に帯電させた油の粒を浮かべ、その動きを調べると、粒の電気の量はいつもある値の整数倍になっていました。ミリカンは 1923 年にノーベル物理学賞を受けています。

比電荷と電気素量の 2 つが分かれば、下の図のように電子の質量が計算できます。答えは約 9.1 × 10⁻³¹ kg で、水素原子のおよそ 1,840 分の 1 です。目に見えない電子の重さが、2 つの実験を組み合わせると求まるのです。

大学の学生実験では、このように教科書に載っている値を、自分の測定から出し直します。教科書の値とずれたら、その理由を装置や手順から考えます。ここに、物理の実験の面白さが詰まっています。