ぶつかると消えるボール？「波」のフシギな世界へようこそ！「素元波」って何？【スマホで物理#07】
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
#07 波のフシギな性質
もし、投げた野球ボールが2個、空中でぶつかったらどうなるでしょう？ カキーンと弾き返されたり、砕けたりしますよね。では、もしボールがぶつかった瞬間に「スッ…」と消えたり、逆に2倍の大きさになったりしたら…？
「そんなの魔法だ！」と思いますよね。でも、実は「波」の世界では、それが当たり前に起こるんです。
ここまでは波の「キホン」を学んできましたが、今回からはいよいよ波の「本性」とも言える、不思議で驚くべき性質に迫ります。サイエンストレーナーの桑子研です。ようこそ、波のワンダーランドへ！
#06のまとめ（前回の復習）
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 |
前回は、ちょっとややこしい「縦波」（音など）を、どうやって目に見える「横波」の形で表すか、というテクニックを学びました。これがわかると、目に見えない音の波も、紙の上で考えられるようになりますね。
波が持つ「５つの魔法」
さて、ここからが本題です。波の基礎（波長、振幅、縦波、横波など）を学んだ私たちが次に知るべきは、「波だからこそ起こる、不思議な性質」です。
冒頭でお話ししたように、もし波が野球ボールのような「物体」だったら、ぶつかってもお互いをすり抜けたり、合体したりはできません。でも、波は違います。ボールとボールがぶつかると消えたり、
大きくなったりする現象が平気で起こります。
普通では、考えられませんよね。
でも、この「波の魔法」を理解すると、私たちの身近にある光や音の不思議な現象が、すべて「ああ、だからか！」とつながってくるんです。例えば、ノイズキャンセリングイヤホンが周りの音をスッと消せるのも、まさにこの波の性質を利用しています。今回は、そんな波の性質を大きく５つに分けて紹介していきます。これらの性質を一つ一つ見ながら、波のヒミツにせまっていきましょう。
波の性質① すべての波の「タネ」：素元波
では、さっそく性質の１つ目です。洗面器にいれた水の水面をイメージしてください。この水面のように「媒質（波を伝えるもの）」が２次元空間に広がっている場合、波はどのように広がって行くのでしょうか。
水面を指でちょん、と突っついてみます。
これを少し立体的に見てみると…
(Grapherという作図ソフトで描きました)
この図のように、波は突っついた場所を中心として、円形（正しくは同心円状）に広がっていきます。この波が始まった場所（指で突っついた点）を「波源(はげん)」といいます。一番外側の波紋の様子（真上から）を時間順に追っていくと…
Scratchをつかってシミュレーション教材を作りました。こちらから実際に試すことができます。（※PC推奨。スマホの場合はPuffinブラウザなどが必要な場合があります）次のものは、その動画です。
実際に触って試せるインタラクティブ教材も作りました。こちらからどうぞ。
このとき、波の「山」や「谷」の、同じ高さの場所をつなげた線を「波面(はめん)」といいます。水面の波紋でいえば、あの丸い輪っか一つひとつが波面です。
波は波源から離れるように、放射状に進みます。ここで面白い性質があります。それは、波の進む方向と、波面は必ず垂直に交わるということです。
このように、１つの点（波源）から広がる最も基本的な波を「 素元波 （そげんは）」といいます。これは、いわば「波のタネ」あるいは「波の赤ちゃん」のようなもの。「たった１点の波紋のこと？」と侮ってはいけません。実は、この素元波という考え方こそが、今後学ぶ「波が障害物をよける（回折）」や「波がはねかえる（反射）」といった、あらゆる波の複雑な現象を説明できてしまう「マスターキー」になるのです。次回は、この素元波が持つすごい力（ホイヘンスの原理）について見ていきましょう。お楽しみに。(^^)
参考情報 動画授業
動画にて解説をしました。プリントをダウンドードしてご覧ください。
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波のいろいろな性質について、ホイヘンスの原理をつかって統一的に説明をしてみましょう。 |
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