これが要石！波でつまずく２つのグラフ【スマホで物理 #02】

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ケン博士

　サイエンストレーナーの桑子研です。このページでは、波を教科書よりも丁寧に・親切にまとめています。お友達のお話を聞くように読んでみて下さい。

#02　λやｆよりもよっぽど大切！波を表す２つのグラフの理解

前回（#01）のまとめ

波は振動が次々に伝わっていく現象。
「波」には、波を伝える物質（媒質）が必要。
波の形（山）の移動に合わせて、媒質が動くわけではない。

#01で学んだように、波の形の動きと、媒質（波を伝える物質）の動きは異なります。#02では、波を表す２つのグラフについて見ていきます。波は次の図のように、盛り上がった部分を山、逆にへこんだ部分を谷といいます。山と谷のセットを「１つの波」といいます。

y軸が高さを、ｘ軸が水平方向の広がりを示す。このグラフをy-xグラフという。

　このグラフのｘとｙは空間を表しています。ｙは高さで、ｘは水平の広がりを示します。難しく考えずに「一枚の写真」だと思って下さい。y-xグラフは写真なのである時間が切り取られています。例えばこの写真は、船が今山の上にあるということが写った写真です。

波を動かしながら「波の形」と「媒質の動き」をもう一度見てみましょう。次のアニメーションをを御覧ください。ボタンをおすと、y-xグラフが動き出します。

もう一度y-xグラフを並べてみてみると…、

「t」はtime（時刻）を表していて、写真をとったときの時間です。時刻0から時刻4に向かって時間が進んでいます。原点の船（◯）の動きに注目してみましょう。時刻0のとき、船（媒質）の高さは０です。波の通過とともに、時刻1のように上昇、時刻2に下におりてきて、また高さが０になりました。次に時刻3で下降し、谷の底までいくと、時刻4のように原点に船は戻ってきました。時刻4のとき、波全体を見ると、１つの波(山と谷のセット)が通過しているのがわかります。

波は動きを伴う現象です。y-xグラフは写真ですから波全体がどのように空間的に広がっているのか？がわかりますが、弱点があります。それはy-xグラフが１枚しかなければ、船（媒質）がどのような運動をするのかよくわからないことです(例えば時刻0の絵１枚では白いボールのこれからの動きはわかりませんね。そもそも写真というのは時間を切り取るので、走っている人も歩いている人も、写真１枚からは判断がつきません。)。ですので、アニメーションの作成のように、時刻０から時刻４までの写真を並べてみると、波の形の動きや媒質の動きがわかります。

もう一度こちらのアニメーションで試してみてください。そのときに赤いボールの動きに注目してみましょう。

このように、赤いボール（船）が今後どのように動くのか？そんな情報を表すグラフがこのy-tグラフです。今度はt軸を手前にのばしてy-xとy-tグラフを同時にてみましょう。それぞれの時刻での、媒質の高さを表してみましょう。