教科書(物理) 問4:固定端反射と定在波

解法

直感的理解

ロープの端を壁に固定して波を送ると、壁の端は動けないので反射波は逆位相で戻ります。入射波と反射波が重なると「揺れる場所(腹)」と「全く動かない場所(節)」が交互に並ぶ定在波ができます。

Step 1:固定端反射の性質

固定端では変位が常に0なので、反射波は入射波と逆位相(位相差 \(\pi\))で戻ります。

Step 2:定在波の式を導く

固定端を原点とし、入射波と反射波を重ね合わせます:

$$y_{\text{入射}} = A\sin(kx - \omega t), \quad y_{\text{反射}} = -A\sin(-kx - \omega t)$$ $$y = y_{\text{入射}} + y_{\text{反射}} = 2A\sin(kx)\cos(\omega t)$$

Step 3:節の位置を求める

節は \(\sin(kx) = 0\) の位置です:

$$kx = n\pi \quad \Rightarrow \quad x = \frac{n\lambda}{2} = n \times 1.0 \text{ m} \quad (n = 0, 1, 2, \ldots)$$

固定端(\(x = 0\))から \(\lambda/2 = 1.0\) m ごとに節が並びます。

数値計算の確認:振動数 5.0 Hz、波長 4.0 cm の水面波の速さは \(v = f\lambda = 5.0 \times 0.040 = 0.20\) m/s。2つの波源間の距離が 10 cm のとき、経路差 2.0 cm = 半波長で弱め合います。

答え
定在波の節は固定端から半波長 \(\lambda/2 = 1.0\) m ごとに現れる。
補足:自由端反射との比較

自由端反射では反射波は同位相で戻り、自由端はになります:

$$y_{\text{自由端}} = 2A\cos(kx)\cos(\omega t)$$

自由端からの距離 \(x = 0\) が腹、\(x = \lambda/4\) が最初の節です。

Point

固定端反射では固定端が必ず、自由端反射では自由端が必ずになります。節の間隔は常に \(\lambda/2\) です。