応用問題293 平面波の屈折と反射

設問(1) 屈折角と屈折波

直感的理解
媒質2は媒質1より速い(\(\sqrt{2}\) 倍)ので、波は境界面から離れる方向に曲がります(屈折角 > 入射角)。同時に境界面では反射波も生じ、反射の法則(入射角 = 反射角)に従います。

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:

$$\sin r = \frac{v_2}{v_1}\sin i = \sqrt{2}\,\sin 30° = \sqrt{2} \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{\sqrt{2}}$$ $$\therefore \quad r = 45°$$
答え(1): 屈折角 \(r = 45°\)
Point

速い媒質に入ると屈折角 > 入射角(波面が境界から離れる)。\(\sin r = (v_2/v_1)\sin i\)。

設問(2) 反射波の山と谷

直感的理解
反射の法則により、入射角 = 反射角 = 30°。境界面ABでの反射の際、位相は変わらない(同位相反射)場合と変わる(逆位相反射)場合があります。問題の条件に応じて判断します。

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。

答え(2): 反射波は入射角と同じ 30° で反射。山・谷の位置は上図を参照。
Point

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。

設問(3)(4) 入射波と反射波の干渉

直感的理解
入射波と反射波は同じ媒質中を逆向きに進むので、定在波が形成されます。ただし、波の進行方向は境界面に対して斜めなので、定在波は境界面に平行な方向にはパターンを作りません。境界面に垂直な成分のみが定在波を作ります。

(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:

答え(3): 入射波と反射波の山が重なる位置で最も強めあう
答え(4):
節線は境界面ABに平行に並び、間隔は \(\dfrac{\lambda}{\sqrt{3}}\)(\(\lambda\) は入射波の波長)
補足:斜め入射の定在波

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 \(\lambda/(2\cos 30°) = \lambda/\sqrt{3}\)。

Point

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。

🧮 具体的な数値例

たとえば振動数 \(f = 500\) Hz、波長 \(\lambda = 0.68\) m の音波の場合:

$$v = f\lambda = 500 \times 0.68 = 340 \text{ m/s}$$ $$T = \frac{1}{f} = \frac{1}{500} = 2.0 \times 10^{-3} \text{ s}$$