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【問題演習】波動01~10|物理基礎編

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    【引用】https://makoto-physics-school.com
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【波動01】正弦波の性質

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

波の性質を表す要素5つは、それぞれ日本語で説明できるようにしましょう。

振幅は振動の中心から山、または谷までの幅という点に注意が必要です。

速さは1秒間に波がどれだけ進んだか、つまり力学とおなじ。

波長はどこからどこまでが波1個なのか、図から読み取れるように練習しましょう。

振動数と周期は必ず日本語で説明できるようにします。

  • 振動数は「1秒間で何回振動するか」
  • 周期は「1回振動するのに何秒かかるか」

今回の解説で利用した基本公式だけでなく、それぞれの物理量がどういう意味なのか、日本語とセットで覚えるのが大切です!

 

 

【波動02】2種類のグラフ

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

グラフの書き換えで大切なのは、\(y-x\)図と\(y-t\)図はそれぞれなにを表しているのか理解することです。

\(y-x\)図は実際の波の絵、\(y-t\)図は1点の高さを時間ごとに作図したものと区別をつけましょう。

海水浴であれば、海の波を写真に撮った様子が\(y-x\)図です。

浮き輪で浮かんでる人の高さを、0秒のとき、1秒のとき、2秒のとき・・・と、グラフにしたものが\(y-t\)図です。

どちらのグラフが与えられているのか見極め、グラフから得られる情報を間違えないように注意しましょう!

 

 

【波動03】縦波と疎密

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

横波表示から縦波表示に変えるときのポイントは、以下のとおりです。

矢印を時計回りに90°回転させる

縦波表示に変えることで、どこが密・疎なのか判断しやすくなります。

 

つぎの2つのグラフを混同しないように気をつけましょう!

  • 縦波を横波表示にしたグラフ
  • 疎密を表したグラフ

どのグラフも見た目が似ているため、縦軸がなにを表しているのか注目しましょう。

 

 

【波動04】反射波と合成波

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今回の問題

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今回のポイント

自由端反射固定端反射での作図手順は以下のとおりです。

  1. 指定された距離だけ波を動かす
  2. 境界線を軸にして横に倒す
  1. 指定された距離だけ波を動かす
  2. 中心線を軸に上下にひっくり返す
  3. 境界線を軸にして横に倒す

固定端反射では1ステップ増えるだけです。

境界面が自由端・固定端のどちらなのか注意して作図をしましょう!

 

 

【波動05】定常波の節の数

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今回の問題

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今回のポイント

定常波を実際に書いて、が何個あるのか数えることも可能。

しかし干渉条件を使った方がカンタンに求められます。

今回の問題では節の数を質問されたので、弱め合う条件式を立てました。

もしの数を質問されたら、強め合う条件式を作りましょう。

 

絶対値の外し方は、つぎの2パターンです。

  • 中身が正→そのまま外す
  • 中身が負→外すときに符号を変える

式が作れても、それを計算できなければ意味がありません。

絶対値が苦手なまま放置してきた人は、一旦立ち止まって中学数学の復習をしておきましょう!

 

 

【波動06】反射進路の作図

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今回の問題

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今回のポイント

反射線なんとなく書くのはNGです。

今回の解答でいうと、反射面の下の部分も書く必要があります。

「反射の仕組みが分かったうえで作図してますよ!」というのが伝わるように、作図過程も残しましょう

 

 

【波動07】正弦波の干渉

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今回の問題

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今回のポイント

波の干渉では、距離の差(経路差)が波長の何倍なのかが最も大切です。

同位相のときと逆位相のときでは、強め合い・弱め合いが逆になるので注意が必要。

問題文でかならず指定されるので、同位相なのか逆位相なのかはチェックしておきましょう。

 

 

【波動08】回折の作図

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

回折の問題で覚えておかなければならない式というのはありません

しかし波が回り込んだようすを作図できるようにするのは必須です。

実際の問題では、自分で作図をするというより、図の選択肢が与えられていて答えを選ぶというパターンが多い

  • 狭いと回り込みやすい
  • 広いと回り込みにくい

この2点を覚えておきましょう。

 

 

【波動09】屈折の法則

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今回の問題

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今回のポイント

速さと深さの関係については覚えなくても大丈夫です。

屈折の法則は、教科書などでは分数の形で紹介されていますが、「上ペア=下ベア」で式を作る方がおすすめです。

分数形式だと、分母分子に代入するものを逆にして間違えてしまうというミスが発生しやすい。

「上ペア=下ペア」では、代入ミスの機会を減らせます。

 

屈折率以外のもの同士の関係式を作りたいときは、今回の解説のように2つ式を作って連立すれば解決します。

  • 覚える公式の量を減らしたい
  • 代入ミスが多い
  • どっちの媒質の情報を分数のどっちに入れるかわからなくなる

このような悩みを持ってる人は、ペアづくり方法で練習してみましょう!

 

 

【波動10】弦の振動の性質

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今回の問題

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今回のポイント

今回の問題では、実際にギターを触ったことがある人のほうが答えやすいでしょう。

弦の振動を利用した楽器の代表例なので、一回も触ったことがない人は楽器店などで一度触っておきましょう

その際の事前知識として、以下のことは先に覚えておいてください。

  • 1mあたりの質量(イメージは太さ)を線密度\(ρ\)と呼ぶ
  • 振動数\(f\)が大きいと高い音
  • 振動数\(f\)が小さいと低い音

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