基本問題270 y-x図とy-t図

y-x図とy-t図の読み取り

直感的理解
y-x図は「ある瞬間の波の写真」、y-t図は「ある位置の媒質の振動記録」です。y-x図から波長と波形がわかり、y-t図から周期と振動の様子がわかります。x=2m の媒質がどう振動するかは、波の進行方向を考えて y-x図の少し手前の波形が次にやってくることから読み取れます。

与えられた情報:y-x図(t=0)で波長 $\lambda = 4.0$ m、振幅 $A = 3.0$ cm、波は x 軸正の向きに速さ $v = 2.0$ m/s で進む。

(1) 周期:

波の基本式 \(v = \dfrac{\lambda}{T}\) より、周期 \(T\) は:

$$T = \frac{\lambda}{v} = \frac{4.0}{2.0} = 2.0 \text{ s}$$

(2) 振動数:

振動数は周期の逆数:

$$f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2.0} = 0.50 \text{ Hz}$$

(3) x=2m の y-t図:

t=0 のとき x=2m での変位は y-x図より $y = 0$。波が正の向きに進むので、少し後には x=2m より手前(負側)の波形がやってくる。x=2m の少し左を見ると y<0 なので、t=0 直後に $y$ は負の向きに変位し始めます。

周期 $T = 2.0$ s で振幅 $A = 3.0$ cm の正弦振動をする y-t図を描けばよいです。

答え:
(1) $T = 2.0$ s
(2) $f = 0.50$ Hz
(3) t=0 で y=0 から始まり、負の向きに振動し始める正弦波(周期 2.0 s、振幅 3.0 cm)
補足:y-t図の描き方のコツ

y-t図を描くには、波の進行方向を確認し、「少し後に来る波形」を読み取ります。

波が正の向きに進む場合、注目位置の少し左側の波形が次にやってきます。x=2m の左側を見て y<0 なら、変位は負の向きに動き始めます。

Point

$v = f\lambda = \dfrac{\lambda}{T}$ の関係を使えば、波長・速さ・周期・振動数のうち2つがわかれば残りが求まる。y-t図では波の進行方向に注意して初期変位の向きを決定する。

📐 公式のまとめ

この問題で使う主な公式:

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