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物理

波動はどう横波よこなみ縦波たてなみ反射はんしゃ屈折くっせつ干渉かんしょう・ドップラー効果こうか

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 6 しょうでは、 どうほんまなびます。 すいめんなみおとひかりなど、 ぜんかいにはさまざまななみがあり、 きょうつうほうそくせつめいできます。

  • なみとはなにか (ばいしつしんどうつたわるげんしょう) をかいする
  • 横波よこなみ縦波たてなみのちがいを
  • 波長はちょう周期しゅうき振動数しんどうすう速さはやさかんけい (v = fλ) を使つかえるようになる
  • なみ反射はんしゃ屈折くっせつ回折かいせつ干渉かんしょうかいする
  • ホイヘンスのげんかさわせのげんまな
  • ドップラー効果どっぷらーこうかのしくみをこうしきけいさんできるようになる

ポイント: 中学ちゅうがくでは 「なみとはなにか」 をていせいてきまなびました。 高校こうこうでは すうしきなみあつかい、 はんしゃくっせつかんしょうけいさんができるようになります。

1. なみ基本きほん

なみとは、 あるしょきた振動しんどう (ゆれ) が、 しゅう媒質ばいしつつたわってひろがっていくげんしょうです。 なみつたわるとき、 媒質ばいしつそのものはどうせず、 そのしんどうするだけです。

なみあらわす 4 つのりょう

りょうごうたん
波長はちょうλm1 つのやまからつぎやままでのなが
周期しゅうきTs1 かいしんどうするのにかかるかん
振動数しんどうすうfHz (ヘルツ)1 びょうかんなんかいしんどうするか
速さはやさvm/sなみすすはや

基本きほん公式こうしき (関係かんけいしき)

かんけいしきせつめい
v = f × λ波のはやさ = 振動数しんどうすう × 波長はちょう
T = 1 / f周期しゅうき振動数しんどうすう逆数ぎゃくすうかんけい
λ = v × T波長はちょう = はやさ × 周期しゅうき

例題れいだい 1

振動数しんどうすう f = 50 Hz、 波長はちょう λ = 4 m のなみはやさをもとめよ。

かい: v = f × λ = 50 × 4 = 200 m/s

大事だいじ: なみはやさ v は ばいしつまる (くうちゅうおとやく 340 m/s、 水中すいちゅうではやく 1500 m/s)。 振動数しんどうすう f は ものまる (おんげんこうげん等)。

2. 横波よこなみ縦波たてなみ

波の進行方向に対して媒質が垂直に振動する横波、 平行に振動する縦波を示した図
横波よこなみなみすすきと媒質ばいしつ振動しんどう方向ほうこう垂直すいちょく (れい: ひかりげん振動しんどう)。 縦波たてなみすすきと振動しんどう方向ほうこう平行へいこう (れい: 音波おんぱ地震じしん P なみ)。

波は、 媒質ばいしつしんどうほうこうなみしんこうほうこうかんけいで 2 しゅるいけられます。

横波よこなみ縦波たてなみのちがい

しゅるいしんどうほうこうしんこうほうこうれい
横波よこなみ垂直すいちょく (ちょっかくしんどう)すいめんなみげんなみ電磁波でんじは (こうでん)
縦波たてなみへいこう (しんこうほうこうおなきにしんどう)音波おんぱ地震波じしんはの P なみ

横波よこなみかたち

横波よこなみさん (媒質ばいしつうえにふれる部分ぶぶん) と たに (にふれる部分ぶぶん) がこうならびます。 げんを弾じいたときや、 水面すいめんいしれたときのなみれいです。

縦波たてなみかたち

縦波たてなみ媒質ばいしつしんこうほうこうせたみつ部分ぶぶんひろがったうと部分ぶぶんこうならびます。 これを 疎密波そみつは ともびます。 音波おんぱだいひょう例で、 くう圧力あつりょく高低こうてい進行しんこう方向ほうこう沿ってつたわります。

ポイント: 音波おんぱ縦波たてなみ です。 えがくときは そみつのしまようあらわすか、 便べん横波よこなみおなじ山やまたにかたちあらわします (計算けいさんするうえではおなあつかいができる)。

電磁波でんじはとしてのひかり

ひかり (光・紫外線しがいせん赤外線せきがいせん) は 電磁波でんじは であり、 電場でんば磁場じば直角ちょっかくしんどうしながらすす横波よこなみ です。 真空しんくうちゅうでのはやさは c = 3.0 × 10⁸ m/s で、 すべての電磁波でんじは共通きょうつうです。

3. なみ反射はんしゃ屈折くっせつ

なみきょうかいめん (ことなる媒質ばいしつのさかい) にぶつかると、 一部いちぶ反射はんしゃし、 一部いちぶ屈折くっせつ (がってすすむ) します。

反射はんしゃ法則ほうそく

ほうそくないよう
入射角にゅうしゃかく = 反射角はんしゃかく境界きょうかいめん法線ほうせんとのなすかくひとしい
入射波にゅうしゃは反射波はんしゃは法線ほうせんどういち平面へいめんじょう3 ほんが 1 つのめんにそろう

屈折くっせつ法則ほうそく (スネルの法則ほうそく)

ことなる媒質ばいしつなみはいると、 はやさがわるのですすきがわります。

かんけいしきせつめい
sin i / sin r = v₁ / v₂ = n₁₂入射角にゅうしゃかく i・屈折角くっせつかく r・はやさ v・屈折率くっせつりつ n の関係かんけい
n = c / v絶対屈折率ぜったいくっせつりつ n = 真空しんくうちゅう光速こうそく ÷ 媒質ばいしつちゅう光速こうそく

屈折くっせつのイメージ

水中すいちゅうでストローがれてえる、 プールのそこあさえるなどはすべ屈折くっせつ原因げんいんです。 ひかりみず空気くうき境界きょうかいはやさをえるため、 進路しんろがります。

ポイント: 振動数しんどうすう f はばいしつわっても わらないわるのははやさ v と波長はちょう λ。 これはひかりでもおとでもおなじです。

ホイヘンスの原理げんり

波面はめんじょうかくてんから 素元波そげんは (small wavelet) がて、 その共通きょうつう接線せっせんつぎしゅんかん波面はめんになる」 というげんで、 反射はんしゃ屈折くっせつ回折かいせつのすべてをせつめいできます。 高校こうこうでは結論けつろん (れい: スネルのほうそく導出どうしゅつ) をれば十ぶんです。

4. 干渉かんしょう回折かいせつ

2 つの点から出る円形の波が重なり合い、 強め合う線と弱め合う線が縞模様を作る様子
波の干渉なみのかんしょう。 2 つのなみげんからなみかさなり、 やま+やまたに+たに場所ばしょつよい、 やま+たに場所ばしょよわう。 これがひかり干渉かんしょうしま原理げんり

かさわせの原理げんり

2 つのなみおな場所ばしょ出会であうと、 そのてんでのへん2 つのなみへん になります。 これを 重ね合わせの原理かさねあわせのげんりいます。

あいけっ
やまやまかさなるつよ (強め合いつよめあいしんぷくが 2 ばい)
やまたにかさなる (弱め合いよわめあいしんぷくが 0)

干渉かんしょう条件じょうけん

2 つの波源なみげんからのきょ (けい差) を Δl、 波長はちょうを λ とすると:

条件じょうけん結果けっか
Δl = m × λ (m = 0, 1, 2, ...)つよ (さんやまかさなる)
Δl = (m + 1/2) × λよわ (さんたにかさなる)

回折かいせつ

なみしょうがいぶつ隙間すきまうしろにまわげんしょう回折かいせついます。 隙間すきまはば波長はちょうおなじくらいにせまいほど回折かいせつつよきます。

れい: 部屋へやのドアの隙間すきまから廊下ろうかおとこえる (おん回折かいせつ)。 ひかり場合ばあい波長はちょうがとてもみじかい (やく 500 nm) ため、 隙間すきまおおきいと回折かいせつしにくい。

定常波ていじょうは (ていざいなみ)

おなしんどうすうしんぷくの 2 つのなみぎゃくむすすんでかさなると、 すすまないでそのでゆれるだけの 定常波ていじょうは ができます。 弦楽器げんがっき気柱きちゅうふえおとがこれでせつめいできます。 ふし (うごかないてん) とはら (おおきくしんどうするてん) が交互こうごならびます。

5. ドップラー効果こうか

音源おんげん観測かんそくしゃのどちらか (または両方りょうほう) がうごいていると、 観測かんそくされる振動数しんどうすうわるげんしょうドップラー効果どっぷらーこうかいます。 救きゅうくるまのサイレンがちかづくとたかく、 とおざかるとひくこえるのがれいです。

ドップラー効果こうか公式こうしき

音速おんそくを V、 音源おんげんはやさを vS、 観測かんそくしゃはやさを vO、 もと振動数しんどうすうを f、 観測かんそくしゃ振動数しんどうすうを f' とする:

じょうきょうこうしき
音源おんげん観測かんそくしゃちかづくf' = V / (V − vS) × f (たかこえる)
音源おんげん観測かんそくしゃからとおざかるf' = V / (V + vS) × f (ひくこえる)
観測かんそくしゃ音源おんげんちかづくf' = (V + vO) / V × f
観測かんそくしゃ音源おんげんからとおざかるf' = (V − vO) / V × f
両方りょうほううご一般いっぱんしきf' = (V ± vO) / (V ∓ vS) × f

一般いっぱんしき符号ふごうルール

一般いっぱんしきでの符号ふごうは、 音源おんげん観測かんそくしゃきをせいとするとおぼえやすい:

  • 観測かんそくしゃ vO: そのきにうごけば +、 ぎゃくなら −
  • 音源おんげん vS: そのきにうごけば +、 ぎゃくなら −
  • 結果けっかとして 「ちかづくと f' ぞうとおざかると f' げん」 となる

例題れいだい 2

サイレン (f = 600 Hz) をらす救きゅうくるま静止せいしした観測かんそくしゃ音速おんそく V = 340 m/s にたいして vS = 20 m/s でちかづくとき、 観測かんそくしゃしんどうすう f' は?

かい: f' = V / (V − vS) × f = 340 / (340 − 20) × 600 = 340 / 320 × 600 = 637.5 Hz

ポイント: ひかりでもドップラー効果どっぷらーこうかきます (赤ほう = ぎんとおざかるとひかり振動数しんどうすうがりあかりにえる)。 ハッブルのほうそくちゅうぼうちょう観測かんそくです。

6. しょうまつまとめと安全あんぜん配慮はいりょ

このしょうまなんだこと

  • なみ = 媒質ばいしつ振動しんどうつたわるげんしょう、 4 つのりょう (λ, T, f, v) とこうしき v = fλ
  • 横波よこなみ (こうすいめん) と縦波たてなみ (おん疎密波そみつは) のちがい
  • はんしゃほうそく (にゅうしゃ角 = はんしゃ角)、 屈折くっせつほうそく (スネルのほうそく)
  • ホイヘンスほいへんすげん重ね合わせの原理かさねあわせのげんり干渉かんしょう回折かいせつ定常波ていじょうは
  • ドップラー効果どっぷらーこうか (ちかづくとたかく、 とおざかるとひくこえる)

安全あんぜん配慮はいりょ音響おんきょう実験じっけん機材きざいあつか

どうじっけんでは、 おおきなおと機材きざい落下らっかちゅうひつようです。

じっけんけんたいさく
音叉おんさ (おんさ)・スピーカーでの共鳴きょうめいじっけんだい音量おんりょうでの 聴覚障害ちょうかくしょうがい音量おんりょうちいさめからはじめる、 耳栓みみせん用意よういする、 れんぞくらさない
げん定常波ていじょうはじっけんげんれてぶ、 おもり落下らっか保護メガネほごめがね着用ちゃくようおもり真下ましたたない
ウォータータンクでの水波みずはじっけんみずこぼし → 感電かんでん可能かのうせいでんげんみずはなす、 こぼれたらそく

ちょんしょう共通きょうつうルール

  • だい音量おんりょう機器ききかなら音量おんりょう最小さいしょう からはじめる
  • 超音波ちょうおんぱ機器ききまく直接ちょくせつけない
  • じっけん終了しゅうりょうぜん機材きざいでんげん

しょう: だい 7 しょうでは、 このしょうまなんだどうほうそくおんひかり具体ぐたいします。 うなりげん気柱きちゅうきょうめい、 レンズとヤングやんぐかんしょうじっけんなど、 身近みぢかげんしょうこうしきけるようになります。

音源の進行方向では波長が短くなり、反対側では長くなる図
ドップラー効果どっぷらーこうか音源おんげんうごくと、 進行しんこう方向ほうこうでは波長はちょうみじかくなり (高音たかね)、 反対はんたいがわではながくなる (低音ていおん)。 救急きゅうきゅうしゃのサイレンがとおぎるときおとがってこえる現象げんしょう原理げんり
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