基本問題269 波形の移動

波形の時間変化

直感的理解
波は形を変えずにそのまま進みます。$t=4.0$ s 後には波形が $v \times 4.0$ だけ移動した位置にあります。元の波形に戻るのは、波形が波長 $\lambda$ 分だけ移動したとき、つまり1周期 $T = \lambda / v$ 後です。

(1) $t = 4.0$ s での波形:

波の速さが $v = 0.50$ m/s で $x$ 軸正方向に進むので、$t = 4.0$ s での波形の移動距離は:

$$\Delta x = v \times t = 0.50 \times 4.0 = 2.0 \text{ m}$$

よって $t=0$ の波形を右に $2.0$ m ずらした図をかきます。

(2) 元の波形に戻る最初の時刻 $t_0$:

元の波形と同じになるには、移動距離が波長 $\lambda$ に等しくなればよいので、最初に戻る時刻は周期 $T$ です。グラフから $\lambda = 2.0$ m と読み取れるので:

$$T = \frac{\lambda}{v} = \frac{2.0}{0.50} = 4.0 \text{ s}$$
答え:
(1) $t=0$ の波形を右に $2.0$ m 平行移動した波形
(2) $t_0 = T = 4.0$ s
補足:波の独立性と重ね合わせの原理

2つの波が出会っても互いに影響を及ぼしません(波の独立性)。重なっている部分では変位の和が合成波の変位になります。

Point

波形は速さ $v$ で移動する。$t$ 秒後の波形は $vt$ だけ進行方向にずらした形。元の波形に戻るのは周期 $T = \lambda / v$ 後。

📐 公式のまとめ

この問題で使う主な公式:

$$v = f\lambda \quad \text{(波の基本式)}$$ $$y = A\sin 2\pi\left(\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda}\right) \quad \text{(正弦波の式)}$$ $$f' = \frac{V \pm v_o}{V \mp v_s} f \quad \text{(ドップラー効果)}$$