せっかく横波表記した縦波をもとに戻してみよう!【スマホで物理#06】

ケン博士
サイエンストレーナーの桑子研です。今日は縦波でよく見かける問題の解き方について紹介します。 

前回(#05)のまとめ

  • 縦波は横波のように表記することができる

  • 縦波のy軸(縦軸)は媒質の左右の変位を表している

横波から縦波へ

描くのが難しい縦波を、描くのが簡単な横波として変換して描き表す方法を#05では学びました。身近な音は縦波の現象です。カラオケ屋の声の波形表示など、身近な場所では、縦波を横波のように表しているのをよく見かけると思います。

例えばこれ。

スマートフォンの音声録音機能を使ったときの様子です。録音ボタンを押して話しかけると、声が記録されたということが横波として表現されています。なおこれは縦波のy-tグラフです。

また次の動画を御覧ください。声や音叉の音を縦波(y-tグラフ)として表示してくれるデジタルオシロスコープ(SoundBeamというアプリ)を使って見た音声波形の様子です。

用意したものは、iPad、音叉、声です。

音叉の振動ではとくにきれいに空気(媒質)が振動しているのがわかります(なおオシロスコープの波形はy-tグラフです)。

このように私達の身近にある縦波の横波表記ですが、この横波で表された縦波を、瞬時に縦波としてイメージする力が、縦波を理解する上で重要です。

前回の#05では縦波を横波へと直しましたが、今回はその逆。横波の様子を見て、縦波の様子を描き、密な場所・疎な場所・媒質の変位が大きい場所・媒質の動きが速い場所などがわかるようにしていきましょう。

3ステップ解法で横波表記から縦波に!

横波から縦波に変形するための3ステップ解法を紹介しましょう。私は3ステップで考える「3ステップ解法(3つのステップを順番に見ていくと理解できる方法)」というものを提唱しています(参考「ぶつりの1・2・3※」。

※ ぶつりの1・2・3 誰でも解ける! センター物理「力学」の3ステップ解法 (サイエンス・アイ新書)

物理が苦手だなと思った人でも、思考ステップを3つに区切るとわかりやすく、理解の助けになります。

例えばこのような横波表記された縦波があったとします。

練習問題

 次の「横波で表された縦波」について、「密」の場所はO・A・B・C・D・E・F・Gのどこですか。すべて答えなさい。

 

このようなときは、3ステップ解放を使って、横波表記から縦波に変換してみましょう。

縦波への変形1・2・3

1. ボール(媒質)を置き、上下に矢印を伸ばす

2. 矢印が上に伸びたら右に、矢印が下に伸びたら左に倒す

(※ 波の進行方向が右の場合)

3. 矢印の頭にボールを移動させ「疎」「密」を記入

この3ステップ解法で考えてみましょう。

1 ボール(媒質)を置き、矢印を上下に伸ばす

次の図のように、O〜Gの位置にボールをおきます。そして、その場所から横波に向かって上下に矢印を伸ばします。

ちなみに、Oの位置のように矢印が伸びない場所もあります。

2 矢印が上に伸びたら右に、矢印が下に伸びたら左に倒す

縦波の横波表記におけるy軸は、x軸正の方向(右)の変位を表していました。そのため上に伸びた矢印「↑」は「右」に、その反対に下に伸びた矢印は、x軸の負の方向(左)の変位を示すので、「左」に倒しましょう。

3 矢印の頭にボールを移動させ「疎」「密」を記入

矢印の頭にボールを移動して、それぞれを「青」で色付けしました。なお原点Oの媒質のように、矢印が伸びないものは、その場所にいるということを示していますので、青で色付けをしています。

青いボールに注目してみてください。青いボールが集まったところがありますよね。ここが「密」になっているところです。密になったところは、O、Dの2つ、反対に疎となったところは、B、Fの2つということがわかりますね。

答え 密はO,D

続きます。

波の子供「素元波」って何?【スマホで物理#07】

参考情報

波については拙著も参考にしてみてください。

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桑子 研(くわこけん)
 1981年群馬県生まれ。サイエンストレーナーとして全国で実験教室やICT活用講演会を開いている。著書は『大人のための高校物理復習帳』(講談社)、『きめる!物理基礎』(学研)など10冊。