教科書(物理) 演習問題2:水面波の干渉

解法

直感的理解

同位相の2つの波は、経路差0で山と山が揃い強めあいます。逆位相では最初から山と谷がずれているので、経路差0では打ち消しあい、半波長ずれてやっと山と山が揃います。条件が丸ごと入れ替わると覚えましょう。

Step 1:振動数を求める

波の速さ \(v = 15.0\) cm/s、波長 \(\lambda = 3.0\) cm から:

$$ f = \frac{v}{\lambda} = \frac{15.0}{3.0} = 5.0 \text{ Hz} $$

Step 2:逆位相の干渉条件

波源が逆位相のとき、干渉条件は同位相の場合と逆転します:

$$ \text{弱めあう条件(逆位相):}\; |l_1 - l_2| = \left(m + \frac{1}{2}\right)\lambda \quad (m = 0, 1, 2, \ldots) $$ $$ \text{強めあう条件(逆位相):}\; |l_1 - l_2| = m\lambda \quad (m = 0, 1, 2, \ldots) $$

Step 3:点 P の判定

\(|AP - BP| = 4.5\) cm を波長で割ると:

$$ \frac{|AP - BP|}{\lambda} = \frac{4.5}{3.0} = 1.5 = 1 + \frac{1}{2} $$

逆位相なので半整数倍は弱めあう条件に該当します(同位相なら強めあう条件だが、逆位相では逆転するので要注意)。

答え
(1) 振動数 \(f = v / \lambda\) に値を代入して計算
(2) 経路差と逆位相の干渉条件を照合して強弱を判定
補足:同位相 vs 逆位相の整理
経路差 = mλ経路差 = (m+1/2)λ
同位相強めあう弱めあう
逆位相弱めあう強めあう
Point

逆位相では条件が逆転:経路差 = 整数×λ が「弱めあう」。問題文で「同位相」か「逆位相」かを必ず確認してから条件式を適用しましょう。