音声と運動の実験室

Windowsで知る音声と運動の実験室

1997/06/30改
2000/11/23改2
2009/12/10改3 全ソフト公開

WINDOWSパソコンで実験したり、シミュレーションしましょう

本が絶版になったため、本収録のソフトを公開します(2009/12/10)
このページから本に収録のソフトをダウンロードできます。著作権は北村俊樹にあります。教育用の利用については使用を許可します。



本の紹介 「Windowsで知る音声と運動の実験室」

  北村俊樹 著  森北出版  定価3800円(本体)+消費税 =3990円
      (CD-ROM付き:1996年3/25刊)
      書籍コード ISBN4-627-15250-7
本 の 推 薦

「Windowsで知る音声と運動の実験室」を推薦する。
 本書にはWindows時代を象徴する本格的な物理現象シミュレーションのプログラムが満載されている。Visual C++でプログラミングされており、高速な物理現象のシミュレーションが可能である。物理の学習に利用されるよう強く推薦する。
                 大妻女子大学教授  平 田 邦 男
ホームページ表紙の図は「Windowsで知る音声と運動の実験室」のwave3dによるものです。
内 容 の 紹 介

 本書はWINDOW3.1およびWINDOW95で動く物理の計測およびシミュレーションソフトを取り扱っています。
内容は、
 (1)パソコン内蔵のサウンドカードを使って音の実験を行うタイプ
 (2)動きによる変化が分かりやすい物理シミュレーション
             (力学、波動、原子分野
の2種類です。読者の対象は中学・高校生または彼らを指導する教員を考えています。
 各ソフトはヘルプファイルを利用できます。ヘルプには操作法の説明だけでなく、代表的な現象例、課題(実験例)、公式の説明などが含まれており、中高生が学習しながら使うこともできるようになっています。
   付録A Windows95へのインストール法
   付録B 全ソフトのソースファイル(VC++用)
   付録C 楽器・声の音声サンプル(WAVE形式 百数十種類の楽器)
 本収録のプログラムは以下の通りです。

第3章 音声
(1)パソコンオシロ  「振駆郎」 SYNCROU9.EXE
 パソコンをオシロスコープや電圧計に変えます。リアルタイムFFT付き。

図 振駆郎: 「ア」の音


(2)音の取り込み  「音知用レコーダー」  ONREC9.EXE

(3)Windows添付ソフト「サウンドレコーダー」の利用

(4)音の分析・合成   「音 知ver1.0」 ONCHI9.EXE
   音の分析・合成   「音 知 ver1.2」 ONCHI16.EXE
   音の分析・合成   「音 知 ver1.3」 ONCHI16rev.EXE
   なお、音のソフトの最新版は、上の「音知ver1.3」のほかに、 「音の実験教室」 の 振駆郎ver1.3 、 とりコンブ 、発音(はつね) 、作音(つくね) がありまう。こちらも見て下さい。
 
 音の録音と再生と波形の表示、FFTによる倍音の分解、サイン波の重ね合わせによる波形合成と音声出力、マウスによる波形合成と音声出力、音のデータファイルの保存、呼び出し、音の編集、加工

図 音 知: 「アイウエオ」の振動数分布


(5)音色を作る  「作音」 TUKUNE9.EXE
 画面を見ながら波形を合成し、鍵盤で演奏できます。


図 作 音: 波形の合成

   なお、音のソフトの最新版は、上の「音知ver1.3」のほかに、 「音の実験教室」 の 振駆郎ver1.3 、 とりコンブ 、発音(はつね) 、作音(つくね) がありまう。こちらも見て下さい。
 

第4章 力学
(1)重力による運動 「重点」 ZYUTEN9.EXE
 重力を受ける物体の運動の表示。モンキーハンティング、爆発など有り

(2)地球を回る衛星の軌道 「ぐるり」 GURURI9.EXE
 重力を受けて地球の周りを回る衛星の運動。脱出速度、楕円軌道など有り。

(3)さまざまな力を受ける運動  「力点」 RIKITEN9.EXE
 物体が中心からの距離によって変化する力を受けるときの5タイプの運動。

(4)万有引力による天体の運動  「万天」 BANTEN9r.EXE
 天体が相互に万有引力を及ぼす時の運動の様子。太陽・惑星・月など10数タイプ

図 万 天: 3物体の運動


(5)噴射による軌道の変更  「ろけっと」 ROCKET9.EXE
 ロケットを噴射させて周回軌道を変更させよう。

図 ろけっと: 噴射で軌道変更


(6)衝突と運動量変化  「こっつん」 KOTZN9.EXE
 物体の衝突のシミュレーション。6連結、斜衝突、ブラウン運動など。

図 こっつん: ブラウン運動


(7)円運動  「サークル」 CIRCLE9.EXE
 円運動の射影、変位、速度、加速度など。

(8)単振動  「単振動」 SINDOU9.EXE
 単振り子、バネ振り子のシミュレーション。

(9)リサジュー  「オシロ」 OSCILLO9.EXE
 XY方向ともに周期的な運動をする場合の軌跡。オシロスコープの原理有り。

図 オシロ: x方向sin2θ、y方向sin6θ

(10)気体の拡散  「拡散」 KAKUSAN9.EXE
 気体の拡散のシミュレーション。気体の混合、マクスウェルの悪魔など有り。

(11)気体の分子運動と法則  「気分」 KIIBUN9.EXE
 気体分子運動のリアルタイムシミュレータ。分子と壁の衝突から圧力を計算し、ボイル・シャルルの法則等を検証できる。

図 気 分:容器壁への衝突による圧力の発生

(12)気体の体積と温度  「体温」 TAION.EXE
 気体の体積と温度の関係をシミュレートする


第5章 波動
オシロスコープ(1)横波・縦波の発生  「横縦」 YOKOTAT9.EXE
 横波、縦波の伝わり方の原理。地震波もあり。

(2)ウェーブマシンと波の性質  「波装」 NAMISO9r.EXE
 縦波と横波について進行波、反射、仮想波、波の重ね合わせを表示する。定常波の発生原理を調べることもできる。

(3)定常波  「弦定常波」STRG9.EXE 「管定常波」TUBE9.EXE
 弦及び管(気柱)の定常波。管の定常波には粗密表示、縦波横波変換有り。

図 管定常波: 開管内の気柱の疎密分布

(4)ドップラー効果  「どっぷり」 DOPPLI9r.EXE
 ドップラー効果、ホイヘンスの原理による円形波・平面波・屈折・反射や2波源の干渉などの表示。

図 ドップラー効果: 音源移動時のドップラー効果の波面


図 ドップラー効果: ホイヘンスの原理による平面波の発生


図 ドップラー効果: ホイヘンスの原理による屈折


(5)波の3D表示  「WAVE3D」 WAVE3D9.EXE
 波の3次元表示。2波源の干渉波、点波源、多波源による平面波、回折波、ドップラー効果、反射波など多くの波をカラーで表示できる。また、動画で表示できる。

図 WAVE3D: 2波源の干渉


図 WAVE3D: スリットによる回折波



第6章 原子
(1)ラザフォード散乱  「ラザフォード」 RUTHFD9.EXE

図 ラザフォード散乱: 原子核の+電荷によりによってα粒子の進路が曲げられる

(2)放射性元素の半減期  「半減」 HANGEN9.EXE
 原子が崩壊する様子を目で見ながら半減期を調べる。

(3)中性子による連鎖反応  「チェイン」 CHAIN9.EXE
 連鎖反応のシミュレーション。

(4)連鎖反応制御による原理的原子炉  「原始炉」 GENSIRO9.EXE
 原子炉の制御棒を上下させて、中性子数を制御し臨界状態を作り出す。原子炉シミュレータ。

図 原始炉: 制御棒と中性子数の変化


おまけ:簡易サンプラー  SAMPLER1.EXE
 マイクから録音した音を音程をつけて弾きます。画面上の鍵盤をクリックすると音程をつけて再生するきわめて単純なサンプリングキーボードです


おまけ:電磁波の伝わり方  EMWAVE1.EXE
 電磁波が伝わる様子を動画で示します。

  ソフトの使い方、メニューに入っている物理現象の説明などがヘルプファイルに入っています。
   本全体の使い方:使用法ヘルプファイル 
    音声編:使用法ヘルプファイル 
    力学編:使用法ヘルプファイル 
    波動編:使用法ヘルプファイル 
    原子編:使用法ヘルプファイル 
第7章 ウィンドウズでのプログラミング
  (1)プログラミング言語について
  (2)タイマーの利用
  (3)アニメーションの手法
  (4)WAVEファイル、クリップボードの使用
  (5)Windows API 
 付録A Windows95へのインストール法
 付録B 全ソースファイル
 付録C 楽器・声の音声サンプルファイル(WAVE形式)
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ソフトの不具合、バグ情報


 1)インストールの際の不具合
 [問題点]インストール先のドライブを指定してもうまくotosetup.exe(WIN3.1版)またはsetup95.exe(WIN95版)でインストールできない。
 [対処法]setupプログラムで対処しているドライブはAからIドライブまででした。このためJ以降のドライブ名を指定してもうまくインストールできません。これにはマニュアルインストール(本6ページ)するか、インストールしたいファイルをハードディスク等のAからIドライブまでにコピーし、コピーしたドライブからsetupプログラムを起動して下さい。WIN3.1版で必要なファイルは、ルートディレクトリ(例Q:\の下のファイル)で、WIN95版で必要なファイルはWIN95EXEディレクトリ(例Q:\WIN95EXEの下のファイル)です。

 2)印刷の不具合
 [問題点]印刷でカラーがうまく出ない。また、キャノンのプリンタでは全滅である。
 [対処法]簡易印刷なのでこれらは解決できません。Graph+Copyキー、ALT+PrintScreenキーなどでクリップボードに転送後、「ペイントブラシ」などのソフトでPasteし印刷して下さい。詳しい使い方は本の15ページにあります。



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本の「はじめに」より抜粋

 本書は、Windows3.1およびWindows95で走る物理のシミュレーションプログラムを取り上げています。タイトルの「Windowsで知る音声と運動の実験室」にあるように、Windows3.1の音声入力部分を使い音を調べたり、力学・波動・原子分野で動きがある物理現象について調べることを目的としています。音や物理現象をシミュレーションプログラムを使って模擬実験をしていくことで、現象を支配している物理法則を理解していきます。
 本書で行うシミュレーションはあくまでも模擬実験です。現実に実験できる場合は、実際の現象に自ら関わるのが物理の本来の姿です。しかし、実験しにくいもの、核分裂など危険でできないもの、天体や気体分子などスケールがあわずに実験できないもの、現象が速すぎたり遅すぎたりして実験できないもの、本書で取り上げたこれらにはシミュレーションが有効です。
 また、複雑な計算を行わずに、イメージや直感的理解を養うためにもシミュレーションはきわめて有効です。物理現象を再現し現象を支配している法則を調べる。逆にわかっている物理法則や簡単なモデルを使って現象を再現する。わずかに条件を変化させてそれが現象にどのように影響するかを観察する。このように本書は、画面の中で模擬実験を通して、物理現象と法則についてイメージと知識を深めていけるようになっています。
 内容としては、音声と、力学、波動、原子分野を取り上げています。
 パソコンにサウンドカードがあれば、マイクやスピーカを使って音を録音再生し、音の分析・合成など実際の実験を行うことができます。 Windowsの音のファイル形式であるWaveファイルを利用してさまざまな音について調べられます。また、パソコンをオシロスコープに変えることもできます。
 一方、力学や波動、原子の分野では動きのある現象を主に取り扱っています。例えば、3次元の波の伝わる様子、気体の分子運動、原子炉内の連鎖反応、万有引力による天体の運動など、コンピュータを使うことで鮮明なイメージを養えるプログラムを多く含んでいます。ここでは、実際の物理現象を題材とすることで、模擬実験を楽しみながら学んでいけるように工夫してあります。

 本書の読者の対象は、中高生から大学初年程度の学生および、彼らを指導する教師を考えています。特に中高生も使えるように、現象例で使用例とその現象の意味、物理法則について本文で説明してあります。また、この説明および課題などをHelpファイルとして収めてあり、ソフトから呼び出して使えるようになっています。
 また、学習や授業で利用できるよう、実行した画面を印刷したり保存することができます。保存した画像は、 Windowsの機能を使って他のソフトにコピーでき、文書や他のデータとあわせて再利用することができます。作者の声を聞く

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