止まっている媒質はど〜れだ(縦波)【スマホで物理#06-2】

止まっている媒質?動いている媒質?

ケン博士
サイエンストレーナーの桑子研です。さて今回はあるy-xグラフをみて、どの媒質が最も速く動いているのか、また止まっている媒質はどれか?を、練習問題をつかって考えてみましょう。 

前回の#06までで、横波と縦波の動きに関する説明は終わりました。今回は縦波の媒質の様子がよくわかっているのかどうかの、練習問題に挑戦してみましょう。

問題

次のグラフはx軸の正の方向に進む縦波を、x軸の正の変位の方向をy軸の正、負の方向の変位をy軸の負となるように、横波で書き表したy-xグラフのt=0の様子です。次の各問に答えなさい。

(1) t=0で止まっている媒質をA〜Gの中から全て選びなさい。

(2) t=0で、速さが最大であり、かつx軸正の向きの速度をもっている媒質をA〜Gの中から全て選びなさい。

 

生徒A
 止まっているのはどれ?って全ての媒質が止まっているじゃないか!

と思うかもしれませんが、そうではありません。たしかにt=0のy−xグラフ1枚だと、止まっているように見えますが、実はこの中のA〜Gの媒質は、あるものは止まっており、またあるものは動いています

なぜ止まっているようにみえて動いているのでしょうか。例えば写真の例で考えてみましょう。カメラで景色を写しても、動きは写りません。動いているものと止まっているものは、1枚の写真からではわかりません。

どちらの車がどのように動いているかわかりますか?

 写真は時間を切り取ってくるので、ある時間の中での位置の変化(動き)は写らないのですね。そこで時間が少しずつ異なった複数の写真をあつめて、順番にみてみるとどうでしょうか。

黄色の車は止まっており、緑の車が動いていることがわかりますね。

これと同じで、y-xグラフは1枚の写真です。つまり今回の波についても、この写真一枚をジ〜っと見ていてもだめで、頭の中で動きをイメージして、波が動いていると考えて、波を作っている媒質の動きを選ばなければいけません。

言葉で説明をするのが難しいので、こちらの動画をみてください。一目瞭然だと思います。

いかがでしょうか。それでは順番に解説していきましょう。

ここから解説です

(1)

止まっている媒質を探す…横波でも縦波でも、どちらで変位が最大になっているところで媒質は一瞬止まります。変位が最大になっているということは、振動の折り返し地点になっているからです。同じような例でいうと、ボールを上に投げたときにも、折り返し地点ではボールは一瞬静止しますよね。

鉛直上向きに投げたボールも折り返し点では静止

よって、答えは上下に変位が最大であるA・C・E・Gとなります。

(2)

次に速度が最大の媒質を探してみましょう…速度が最大、そう振動の中心、変位が0の場所にいる媒質は速さが最も大きくなっています。そこで候補としては、B・D・Fとなります。

次に「x軸の正の向き」に、向きまでも適したものを選びましょう。ポイントは1枚の写真では動きはわからないということです。考えてもよくわからない…そんなときは実際に波を少しだけ進行方向に動かしてみましょう(メモ帳をだしてかいてみて下さい)。「少しだけずらす」というのがポイント。

すこしだけ!です。

するとBの媒質は下に、Dの媒質は上に、Fの媒質は下に、次の時刻で動くということがわかりますね。

上を向いた矢印はD

縦波において上に動くということは、x軸正の向きということを示すので、Dが適しているとういことがわかりますね。

いかがでしたでしょうか。このように縦波の横波表記を読み取るときには、疎密の他に、振動の様子をイメージすることが大切です。良い頭の体操になりますね。

続きます。

波の子供「素元波」って何?【スマホで物理#07】

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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。