この章で学ぶこと
第 6 章では、 波動の基本を学びます。 水面の波や音、 光など、 自然界にはさまざまな波があり、 共通の法則で説明できます。
- 波とは何か (媒質の振動が伝わる現象) を理解する
- 横波と縦波のちがいを知る
- 波長・周期・振動数・速さの関係 (v = fλ) を使えるようになる
- 波の反射・屈折・回折・干渉を理解する
- ホイヘンスの原理と重ね合わせの原理を学ぶ
- ドップラー効果のしくみを公式で計算できるようになる
ポイント: 中学では 「波とは何か」 を定性的に学びました。 高校では 数式 で波を扱い、 反射・屈折・干渉の計算ができるようになります。
1. 波の基本
波とは、 ある場所で起きた振動 (ゆれ) が、 周囲の媒質を伝わって広がっていく現象です。 波が伝わるとき、 媒質そのものは移動せず、 その場で振動するだけです。
波を表す 4 つの量
| 量 | 記号 | 単位 | 意味 |
|---|
| 波長 | λ | m | 1 つの山から次の山までの長さ |
| 周期 | T | s | 1 回振動するのにかかる時間 |
| 振動数 | f | Hz (ヘルツ) | 1 秒間に何回振動するか |
| 速さ | v | m/s | 波が進む速さ |
基本公式 (波の関係式)
| 関係式 | 説明 |
| v = f × λ | 波の速さ = 振動数 × 波長 |
| T = 1 / f | 周期と振動数は逆数の関係 |
| λ = v × T | 波長 = 速さ × 周期 |
例題 1
振動数 f = 50 Hz、 波長 λ = 4 m の波の速さを求めよ。
解: v = f × λ = 50 × 4 = 200 m/s
大事: 波の速さ v は 媒質で決まる (空気中の音は約 340 m/s、 水中では約 1500 m/s)。 振動数 f は 波を出す物で決まる (音源・光源等)。
2. 横波と縦波
横波 は波の進む向きと媒質の振動方向が垂直 (例: 光・弦の振動)。 縦波 は進む向きと振動方向が平行 (例: 音波・地震 P 波)。
波は、 媒質の振動方向と波の進行方向の関係で 2 種類に分けられます。
横波と縦波のちがい
| 種類 | 振動方向と進行方向 | 例 |
|---|
| 横波 | 垂直 (直角に振動) | 水面の波、 弦の波、 電磁波 (光・電波) |
| 縦波 | 平行 (進行方向と同じ向きに振動) | 音波、 地震波の P 波 |
横波の形
横波は 山 (媒質が上にふれる部分) と 谷 (下にふれる部分) が交互に並びます。 弦を弾いじいたときや、 水面に石を投げ入れたときの波が例です。
縦波の形
縦波は媒質が進行方向に 押し寄せた密の部分 と 広がった疎の部分 が交互に並びます。 これを 疎密波 とも呼びます。 音波が代表例で、 空気の圧力の高低が進行方向に沿って伝わります。
ポイント: 音波は 縦波 です。 図に描くときは 疎密のしま模様 で表すか、 便宜上横波と同じ山谷の形で表します (波を計算する上では同じ扱いができる)。
電磁波としての光
光 (可視光・紫外線・赤外線) は 電磁波 であり、 電場と磁場が直角に振動しながら進む 横波 です。 真空中での速さは c = 3.0 × 10⁸ m/s で、 全ての電磁波で共通です。
3. 波の反射と屈折
波が 境界面 (異なる媒質のさかい) にぶつかると、 一部は反射し、 一部は屈折 (折れ曲がって進む) します。
反射の法則
| 法則 | 内容 |
|---|
| 入射角 = 反射角 | 境界面の法線とのなす角が等しい |
| 入射波・反射波・法線は同一平面上 | 3 本が 1 つの面にそろう |
屈折の法則 (スネルの法則)
異なる媒質へ波が入ると、 速さが変わるので進む向きが変わります。
| 関係式 | 説明 |
| sin i / sin r = v₁ / v₂ = n₁₂ | 入射角 i・屈折角 r・速さ v・屈折率 n の関係 |
| n = c / v | 絶対屈折率 n = 真空中の光速 ÷ 媒質中の光速 |
屈折のイメージ
水中でストローが折れて見える、 プールの底が浅く見えるなどは全て屈折が原因です。 光が水 ↔ 空気の境界で速さを変えるため、 進路が折れ曲がります。
ポイント: 振動数 f は媒質が変わっても 変わらない。 変わるのは速さ v と波長 λ。 これは光でも音でも同じです。
ホイヘンスの原理
「波面上の各点から 二次素元波 (small wavelet) が出て、 その共通接線が次の瞬間の波面になる」 という原理で、 反射・屈折・回折のすべてを説明できます。 高校では結論 (例: スネルの法則の導出) を知れば十分です。
4. 干渉と回折
波の干渉。 2 つの波源から出る波が重なり、 山+山や谷+谷の場所で強め合い、 山+谷の場所で弱め合う。 これが光の干渉縞の原理。
重ね合わせの原理
2 つの波が同じ場所で出会うと、 その点での変位は 2 つの波の変位の和 になります。 これを 重ね合わせの原理 と言います。
| 場合 | 結果 |
|---|
| 山と山が重なる | 強め合う (強め合い、 振幅が 2 倍) |
| 山と谷が重なる | 打ち消し合う (弱め合い、 振幅が 0) |
干渉の条件
2 つの波源からの距離の差 (経路差) を Δl、 波長を λ とすると:
| 条件 | 結果 |
| Δl = m × λ (m = 0, 1, 2, ...) | 強め合う (山と山が重なる) |
| Δl = (m + 1/2) × λ | 弱め合う (山と谷が重なる) |
回折
波が 障害物 や 隙間 の後ろに回り込む現象を 回折 と言います。 隙間の幅が波長と同じくらいに狭いほど回折が強く起きます。
例: 部屋のドアの隙間から廊下の音が聞こえる (音の回折)。 光の場合は波長がとても短い (約 500 nm) ため、 隙間が大きいと回折しにくい。
定常波 (定在波)
同じ振動数・振幅の 2 つの波が 逆向き に進んで重なると、 進まないでその場でゆれるだけの 定常波 ができます。 弦楽器・気柱・笛の音がこれで説明できます。 節 (動かない点) と腹 (大きく振動する点) が交互に並びます。
5. ドップラー効果
音源と観測者のどちらか (または両方) が動いていると、 観測される振動数が変わる現象を ドップラー効果 と言います。 救急車のサイレンが近づくと高く、 遠ざかると低く聞こえるのが例です。
ドップラー効果の公式
音速を V、 音源の速さを vS、 観測者の速さを vO、 元の振動数を f、 観測者が聞く振動数を f' とする:
| 状況 | 公式 |
| 音源が観測者に近づく | f' = V / (V − vS) × f (高く聞こえる) |
| 音源が観測者から遠ざかる | f' = V / (V + vS) × f (低く聞こえる) |
| 観測者が音源に近づく | f' = (V + vO) / V × f |
| 観測者が音源から遠ざかる | f' = (V − vO) / V × f |
| 両方動く一般式 | f' = (V ± vO) / (V ∓ vS) × f |
一般式の符号ルール
一般式での符号は、 音源 → 観測者 の向きを正とすると覚えやすい:
- 観測者 vO: その向きに動けば +、 逆なら −
- 音源 vS: その向きに動けば +、 逆なら −
- 結果として 「近づくと f' 増、 遠ざかると f' 減」 となる
例題 2
サイレン (f = 600 Hz) を鳴らす救急車が静止した観測者に音速 V = 340 m/s に対して vS = 20 m/s で近づくとき、 観測者が聞く振動数 f' は?
解: f' = V / (V − vS) × f = 340 / (340 − 20) × 600 = 340 / 320 × 600 = 637.5 Hz
ポイント: 光でもドップラー効果は起きます (赤方偏移 = 銀河が遠ざかると光の振動数が下がり赤寄りに見える)。 ハッブルの法則や宇宙の膨張観測の基礎です。
6. 章末まとめと安全配慮
この章で学んだこと
- 波 = 媒質の振動が伝わる現象、 4 つの量 (λ, T, f, v) と公式 v = fλ
- 横波 (光・水面波) と縦波 (音・疎密波) のちがい
- 反射の法則 (入射角 = 反射角)、 屈折の法則 (スネルの法則)
- ホイヘンスの原理、 重ね合わせの原理、 干渉・回折・定常波
- ドップラー効果 (近づくと高く、 遠ざかると低く聞こえる)
安全配慮 — 音響実験と機材の扱い
波動の実験では、 大きな音や機材の落下に注意が必要です。
| 実験 | 危険 | 対策 |
|---|
| 音叉 (おんさ)・スピーカーでの共鳴実験 | 大音量での 聴覚障害 | 音量は小さめから始める、 耳栓を用意する、 連続鳴らさない |
| 弦の定常波実験 | 弦が切れて飛ぶ、 おもりが落下 | 保護メガネ着用、 おもりの真下に立たない |
| ウォータータンクでの水波実験 | 水こぼし → 感電の可能性 | 電源と水を離す、 こぼれたら即拭く |
全章共通ルール
- 大音量機器は必ず音量を 最小 から始める
- 超音波機器は鼓膜へ直接向けない
- 実験終了後は全機材の電源を切る
次の章: 第 7 章では、 この章で学んだ波動の法則を 音と光 に具体化します。 うなり、 弦や気柱の共鳴、 レンズとヤングの干渉実験など、 身近な現象が公式で解けるようになります。
ドップラー効果 — 音源が動くと、 進行方向では波長が短くなり (高音)、 反対側では長くなる (低音)。 救急車のサイレンが通り過ぎる時に音が下がって聞こえる現象の原理。