家庭でできる波の実験！バネで学ぶ「自由端反射」と「固定端反射」の意外な違い
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
波が物体にぶつかると、どうなるのだろう？
２種類の反射を見てみよう！
今回は、家庭で簡単にできる「波の反射」の実験をご紹介します。お子さんと一緒に、あるいはご自身の知識の再確認のために、ぜひ試してみてください。波の動きを実際に目で追うことは、教科書を読むだけでは得られない深い感動があります。私自身、これまでの実験教室で、多くの方がその不思議さに心を奪われるのを見てきました。
さて、皆さんは「波の反射」に、2つの種類があることをご存知でしたか？学生時代に「縦波」や「横波」について勉強した記憶があるかもしれません。これらの波は、何かにぶつかると跳ね返る「反射」という現象を起こします。しかし、その反射の仕方は、実は一種類ではないのです。
今回は、その2つの反射を、身近な「おもちゃのバネ」を使って体験してみましょう。
科学のレシピ：身近なもので波の反射を観察！
【用意するもの】
- おもちゃのバネ（通称：スリンキー）
- ヒモ
- 固定するもの（壁や、お手伝いしてくれる人など）
【実験手順】
- 自由端反射を体験してみよう！
- バネを伸ばして、片側に10cmほどのヒモを結びつけます。
- このヒモの端を誰かに持ってもらうか、柱などに軽く結びつけます。
- もう一方の端をあなたが持ち、手首を素早く上下に振って、バネに「波の山」を送ってみてください。
- 波がヒモの端まで到達し、跳ね返ってくる様子をよく観察しましょう。
- 固定端反射を体験してみよう！
- 次に、バネの片方の端を直接、動かないようにしっかりと固定します。
- もう一方の端をあなたが持ち、先ほどと同じように手首を素早く振って、波の山を送ります。
- 波が固定された端で反射して戻ってくる様子を観察しましょう。
実験結果とその解説
実験1で観察したのが、自由端反射です。 波の山がヒモの端まで行くと、そのヒモは自由に動けるため、波のエネルギーをそのまま返すように反射します。その結果、波の山は山として、谷は谷として戻ってきます。
同じく右側がもりあがってでてきます。
次に、実験2で観察したのが、固定端反射です。 波の山がしっかりと固定された端に到達すると、そこは動くことができません。このため、波は反発するような形で反射します。その結果、波の山は谷として、谷は山として戻ってきます。
この波の形が反転する現象は、物理学の世界では「位相が180° ()変化する」と表現されます。難しい言葉ですが、波の「裏返し」が起こる、と考えるとわかりやすいかもしれません。
なぜ波の反射は重要なのか？
これらの反射の違いは、実は皆さんの身の回りにある様々な現象に深く関わっています。
たとえば、光の干渉現象。シャボン玉の表面が虹色に見えるのは、光がシャボン玉の膜の表と裏で反射し、それぞれが干渉し合って強めあったり、弱めあったりしているからです。このとき、膜の表面で反射する光と、裏面で反射する光では、反射の仕方が違います。これが、美しい色の縞模様を生み出す重要なカギとなるのです。
ぜひご自宅で挑戦して、この感動を味わってみてくださいね！
PS この実験は拙著「大人のための高校物理復習帳」の中で紹介しています。その他の実験についても、こちらを参考にしてください。
そのほかの波の性質
重ね合わせの原理 →
縦波と横波 →
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