無料でしっかり基礎固め！高校物理 問題演習「音波の基本性質（縦波・音の3要素・うなり・共振）」【高校物理対応】

今回の問題

【設問別解説】考え方から計算プロセスまで徹底ガイド

この問題のテーマは「音波の基本的な性質」です。
問題を解く上で鍵となる物理法則や概念は以下の通りです。

基本的なアプローチは以下の通りです。

空欄(ア)〜(イ)

思考の道筋とポイント
まず、音波が波の分類のうち「縦波」と「横波」のどちらに属するかを判断します。次に、その波の定義に基づいて、波の進行方向と媒質の振動方向の関係を答えます。
この設問における重要なポイント

• 縦波：波の進行方向と媒質の振動方向が「平行」な波。（例：音波、地震のP波）
• 横波：波の進行方向と媒質の振動方向が「垂直」な波。（例：光、電磁波、弦を伝わる波）

具体的な解説と立式
音波は、空気などの媒質の密度が変化する「疎密波」として伝わります。媒質の粒子は、波の進行方向に沿って前後に振動します。このように、波の進行方向と媒質の振動方向が同じ向き（平行）である波を「縦波」と呼びます。
したがって、空欄(ア)には「縦波」、空欄(イ)には「平行」が入ります。

計算は必要ありません。

音は空気の「押し引き」が伝わっていくイメージです。波が進む向きと、空気の分子が揺れる向きは同じ方向なので「縦波」であり「平行」となります。

音波は縦波であり、その進行方向と媒質の振動方向は平行です。

空欄(ウ)〜(キ)

思考の道筋とポイント
音の性質を表す3つの要素「高さ」「強さ（大きさ）」「音色」が、それぞれ波のどの物理量「振動数」「振幅」「波形」と対応しているかを正確に理解しているかが問われます。問題文の記述に沿って、対応する物理量を語群から選びます。
この設問における重要なポイント

• 音の高さ ↔ 振動数 \(f\) （高い音ほど振動数が大きい）
• 音の強さ（大きさ） ↔ 振幅 \(A\) （大きい音ほど振幅が大きい）
• 音色 ↔ 波形

具体的な解説と立式

• (ウ), (エ): 「音の高低」は、1秒間あたりの波の振動の回数を表す「振動数」によって決まります。振動数が大きいほど、音は「高く」なります。
• (オ), (カ): 「音の強さ」は、波の振幅によって決まります。より正確には、波が運ぶエネルギーは振幅の2乗に比例します。したがって、振幅が大きくなるほど、音は「大きく」聞こえます。
• (キ): ギターとピアノで同じ高さ・同じ強さの音を出しても区別できるのは「音色」が違うためです。この音色の違いは、音波の波の形、すなわち「波形」の違いによって生じます。

計算は必要ありません。

「高さ」は振動の速さ（振動数）、「大きさ」は揺れの幅（振幅）、「音色」は波の形（波形）で決まる、と覚えておきましょう。救急車のサイレンが近づくとき、音が高く聞こえるのは振動数が大きく聞こえるからです（ドップラー効果）。

音の3要素と、それに対応する物理量の関係は物理学の基本であり、正しく選択できています。

空欄(ク)〜(ケ)

思考の道筋とポイント
振動数がわずかに異なる2つの音を同時に鳴らしたときに生じる現象名を答えます。次に、その現象が1秒間に起こる回数（うなり振動数）を表す公式を導きます。
この設問における重要なポイント

• 振動数が近い2つの音を重ねると、音が周期的に強くなったり弱くなったりする現象を「うなり」という。
• 1秒間あたりのうなりの回数（うなり振動数 \(f\)）は、2つの音の振動数 \(f_1\), \(f_2\) の差の絶対値で与えられる。

具体的な解説と立式
振動数がわずかに異なる2つの音波を重ね合わせると、波の干渉によって合成波の振幅が周期的に変化します。これにより、音が強くなったり弱くなったりして聞こえます。この現象を「うなり」といいます。
したがって、空欄(ク)は「うなり」です。
1秒間にうなりが聞こえる回数を、うなり振動数 \(f\) といいます。これは、2つの音源の振動数 \(f_1\) と \(f_2\) の差で計算されます。
$$ f = |f_1 – f_2| $$
問題文では \(f_1 > f_2\) と指定されているため、絶対値を外すことができます。
$$ f = f_1 – f_2 $$
したがって、空欄(ケ)は \(f_1 – f_2\) となります。

問題文の条件 \(f_1 > f_2\) を用いて、公式 \(f = |f_1 – f_2|\) の絶対値を外します。
$$ f = f_1 – f_2 $$

「うなり」という現象の名前を覚えます。うなりの回数は、2つの音の振動数の「差」で計算します。例えば、440Hzの音と442Hzの音を同時に鳴らすと、1秒間に \(442 – 440 = 2\) 回のうなりが聞こえます。

現象名は「うなり」、うなり振動数は2つの振動数の差で表されるため、解答は妥当です。

空欄(コ)

思考の道筋とポイント
ある物体が持つ特有の振動数（固有振動数）と、外部から加える音の振動数が一致したときに、その物体が激しく振動し始める現象の名前を答えます。
この設問における重要なポイント

• すべての物体は、揺れやすい特定の振動数（固有振動数）を持っている。
• 外部から加える振動の振動数が、その物体の固有振動数と一致すると、振幅が非常に大きくなる。この現象を「共振」または「共鳴」という。

具体的な解説と立式
物体に外部から周期的な力を加えるとき、その力の振動数が物体の固有振動数と一致すると、物体は非常に大きな振幅で振動します。この現象を「共振」または「共鳴」といいます。
例として、ブランコをこぐとき、ブランコの揺れの周期（固有振動数に対応）に合わせてタイミングよく力を加えると、揺れがどんどん大きくなるのが挙げられます。
したがって、空欄(コ)は「共振」（または「共鳴」）です。

計算は必要ありません。

音叉を鳴らして、同じ高さの音が出るように作られた別の音叉に近づけると、触れていないのに後の音叉も鳴り始めます。これが共振（共鳴）です。

現象名は「共振」または「共鳴」であり、解答は妥当です。

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