屈折角の計算:
屈折の法則(スネルの法則)より:
$$\frac{\sin i}{\sin r} = \frac{v_1}{v_2}$$入射角 \(i = 30°\)、\(v_2 = \sqrt{2}\,v_1\) を代入すると:
$$\sin r = \frac{v_2}{v_1}\sin i = \sqrt{2}\,\sin 30° = \sqrt{2} \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{\sqrt{2}}$$ $$\therefore \quad r = 45°$$速い媒質に入ると屈折角 > 入射角(波面が境界から離れる)。\(\sin r = (v_2/v_1)\sin i\)。
反射の法則:入射角 = 反射角 = 30°
反射波の山・谷の位置は、入射波の波面の位置と反射角から作図できます。
反射の法則:入射角 = 反射角。波長と振動数は反射前後で変わらない。
(3) 最も強めあう位置:
入射波と反射波が干渉して最も強めあうのは、両波の山(または谷)が重なる点です。
(4) 節線:
入射波と反射波の干渉で振動しない節線は、境界面に平行に並びます。節線の間隔は:
境界面に垂直な方向の波長成分は \(\lambda_\perp = \lambda / \cos i = \lambda / \cos 30°\)。
定在波の節の間隔は \(\lambda_\perp / 2\) なので:
通常の定在波(垂直入射)では節の間隔は \(\lambda/2\) ですが、斜め入射の場合は境界面に垂直な方向の実効波長が \(\lambda/\cos i\) になるため、節線間隔は \(\lambda/(2\cos i)\) になります。
入射角 \(i = 30°\) の場合:\(\cos 30° = \sqrt{3}/2\) なので \(\lambda/(2\cos 30°) = \lambda/\sqrt{3}\)。
入射波と反射波の干渉:境界面に平行な節線が形成される。節線間隔 = \(\dfrac{\lambda}{2\cos i}\)。斜め入射では \(\cos i\) 分だけ実効波長が伸びる。
たとえば振動数 \(f = 500\) Hz、波長 \(\lambda = 0.68\) m の音波の場合:
$$v = f\lambda = 500 \times 0.68 = 340 \text{ m/s}$$ $$T = \frac{1}{f} = \frac{1}{500} = 2.0 \times 10^{-3} \text{ s}$$