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【問題演習】波動11~20|物理基礎・高校物理編

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    【引用】https://makoto-physics-school.com
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【波動11】弦の振動

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

弦の振動では、以下のことは最優先で覚えておきましょう。

  • 弦だけで使える速さの式
  • 波長は図から求める
  • 基本公式 \(v=fλ\)

振動数の公式は覚える必要ありません。

波長を読みとる練習をして \(v=fλ\) に代入すれば、公式と同じ形の式を自分でつくれます

暗記する量を減らして、基本事項を使いまわす練習をしましょう!

 

 

【波動12】気柱の振動

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

気柱の振動では、図を自力で書けるかが最重要です。

作図をするときには、次のルールを守れているかチェックしましょう。

  • 管の口の部分は
  • 水面の部分は

 

また腹の位置は、管の口から少しはみ出しています。

はみ出している長さを開口端補正値と呼びます。

問題文で「開口端補正は無視するものとする」と書かれていたら、管の口の位置と腹の位置はおなじと考えてください。

今回の問題では何も言わてれいないので、腹の位置は少しはみ出しているものとして解きました。

キレイに半波長の部分を利用することで、開口端補正値に影響されず波長を求めることができます。

定番問題なので、必ず解き方をマスターしておきましょう。

 

 

【波動13】基本形ドップラー効果

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

ドップラー効果で、作図を利用して振動数を求める手順を紹介します。

  1. 音速の矢印を書く
  2. 音源と観測者の速度の矢印を書く
  3. \(f’=\frac{観測者}{音源}×f\)に代入する

③の右辺は観音(かんのん)かける出してる音の振動数と覚えておくのがおすすめです。

波長を求めなければならないときでも、振動数を求めてから\(v=fλ\)を利用すれば、簡単に求めることができます。

余裕がある場合は、波長を求める練習もしてみましょう!

 

 

【波動14】風があるときのドップラー効果

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

風が吹くドップラー効果では、音速を調整してあげればOKです。

  • 追い風のときは、音速アップ
  • 向かい風のときは、音速ダウン

音は空気の粒が振動を伝えています。

その空気の粒全体が風のせいで動いてしまっているので、振動の伝わり方が変わってしまうという事です。

ちなみに音源や観測者の速度については、基本的には風が吹いても影響を受けないとします。

 

今回の問題では、作図を利用して振動数を求める方法ではなく、ドップラー効果の仕組みに重点を置いて解説しました。

公式や解法だけでなく、そもそも何が起こっているのかも理解しておきましょう!

 

 

【波動15】壁があるときのドップラー効果

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

壁があるドップラー効果では、反射音の振動数を求めるための2ステップを押さえておきましょう。

  1. 壁を観測者とみなして、壁に届く音の振動数を求める
  2. 壁を音源とみなして、実際の観測者が聞く音の振動数を求める

②のステップで振動数を代入するときに、元の音源の振動数を代入しないように注意が必要です。

①のステップで求めた振動数の音を壁がはね返すので、①の振動数を代入しましょう

2ステップに分けるだけで、新しい解法や公式を覚える必要がなくなります。

「壁に届く音」「壁がはね返して観測者に届く音」の順で求める練習をしてみましょう!

 

 

【波動16】うなりの回数とドップラー効果

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

うなりとは、振動数の違う2つの音を同時に聞いたときに、「ウワン、ウワン」と音大きくなったり小さくなったりを繰り返す現象です。

1秒間でのうなりの回数はとても簡単に求めることができます。

2つの振動数を\(f_大-f_小\)とすると、1秒間でのうなりの回数は、
\(\Large{f_大-f_小}\)
で求められる。

教科書では絶対値がついていますが、「回数」なのでマイナスにならないように絶対値がついているだけです。

(振動数が大きい方)ー(振動数が小さい方)で計算すれば、絶対値をつける必要はありません。

基本的には1秒分を聞かれること多いですが、2秒や3秒のように時間を変更してくるかもしれません。

公式だけでなく、1秒分でのうなりの回数というのも覚えておきましょう!

 

 

【波動17】見かけの深さ

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

問題では「真上から見ると」と書かれていますが、少し斜めから見ている状況で考えましょう。

あとで角度を小さくすることで、真上から見ているという状況が完成します。

角度を小さくしたときに、\(\tan θ\) と \(\sin θ\)  がほぼ等しいという近似が登場します。

ヤングの実験装置問題でも使う近似なので、今回の問題を通して覚えておきましょう。

 

 

【波動18】全反射と円板の半径

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

屈折角が90°になるときの入射角のことを臨界角と呼びます。

屈折角が90°になるところまで円板で覆ってあげれば、それ以外の部分では全反射するので海面上に光が届きません

よくある定番の問題なので、どのような状況について考えるのかを覚えておきましょう。

 

 

【波動19】凸レンズの作図

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

以下の3つが凸レンズの作図手順です。

  1. 光軸に平行に進んだ光は、後方の焦点を通るように進む
  2. レンズの中心を通る光は、直進する
  3. 前方の焦点を通る光は、光軸と平行に進む

特に指定がない限りは、①②が書ければ像の作図は可能です。

光の正しい道筋を選ぶ問題では、③の進み方も大切になるので、作図方法は覚えておきましょう。

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