教科書(物理) 問3:正弦波の式の読み取り

解法

直感的理解

正弦波の式は「どこに(\(x\))、いつ(\(t\))、どれだけ揺れているか(\(y\))」のすべてを1つの式で表します。\(t\) の係数が振動の速さ(\(1/T\))、\(x\) の係数が空間の詰まり具合(\(1/\lambda\))を表しています。

Step 1:一般式と比較する

与えられた式を変形します:

一般式 \(y = A\sin 2\pi\!\left(\dfrac{t}{T} - \dfrac{x}{\lambda}\right)\) と係数を比較します:

Step 2:各量を読み取る

数値例:波長 \(\lambda = 2.0\) cm、振動数 \(f = 5.0\) Hz の水面波の速さは \(v = f\lambda = 5.0 \times 2.0 = 10\) cm/s = 0.10 m/s です。

関連する基本公式:

$$ y = A\sin\left(\frac{2\pi}{\lambda}x - 2\pi ft\right) $$ $$ \Delta r = m\lambda \quad (m = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots) $$
答え
(1) 振幅 \(A = 1.5\) m
(2) 周期 \(T = 2.5\) s
(3) 波長 \(\lambda = 5.0\) m
補足:波の速さの確認

検算として波の速さを確認しましょう:

$$v = \frac{\lambda}{T} = \frac{5.0}{2.5} = 2.0 \text{ m/s}$$

また、式の符号が \((t - x)\) の形なので \(x\) 軸正の向きに進む波であることも確認できます。

Point

正弦波の式を \(y = A\sin 2\pi\!\left(\dfrac{t}{T} - \dfrac{x}{\lambda}\right)\) の形に整理し、\(t\) と \(x\) の係数をそれぞれ \(\dfrac{1}{T}\) と \(\dfrac{1}{\lambda}\) と比較すれば、すべての物理量が求まります。