教科書(物理) 演習問題2:ドップラー効果とうなり

解法

直感的理解

B を遠ざけるとドップラー効果で B の音が低くなります。低くなってうなりが消えた(= A と同じ振動数になった)ということは、元の B は A より高い音だったのです。

(1) B の振動数を特定

うなりが毎秒3回より:

$$ |f_A - f_B| = 3 \quad \Rightarrow \quad f_B = 510 \pm 3 = 507 \text{ or } 513 \text{ Hz} $$

B を遠ざけるとうなりが消えた → ドップラーで \(f'_B\) が低下して \(f_A\) に一致。低下して一致したので \(f_B > f_A\) → \(f_B = 513\) Hz。

(2) うなりが消える速さ

B が速さ \(v\) で遠ざかるとき \(f'_B = \dfrac{V}{V + v} f_B = f_A\) となる \(v\) を求めます:

$$ \frac{340}{340 + v} \times 513 = 510 $$ $$ 340 + v = \frac{513 \times 340}{510} = \frac{174420}{510} = 342.0 $$ $$ v = 342.0 - 340 = 2.0 \text{ m/s} $$

(3) 速さ p の算出(一般形)

$$ v = V \left(\frac{f_B}{f_A} - 1\right) = 340 \times \left(\frac{513}{510} - 1\right) = 340 \times \frac{3}{510} = 2.0 \text{ m/s} $$

数値計算の確認:音速 340 m/s、振動数 850 Hz の音の波長は \(\lambda = 340 / 850 = 0.40\) m/s × s = 40 cm。スピーカー間の距離 2.0 m で経路差が 20 cm なら、半波長の整数倍かどうかで干渉条件が決まります。

答え
(1) \(f_B = 513\) Hz
(2)(3) \(v = 2.0\) m/s で遠ざける
別解:うなり回数からの直接算出

うなりが消える条件は \(f'_B = f_A\) なので:

$$ \frac{V}{V + v} f_B = f_A \quad \Rightarrow \quad v = V \cdot \frac{f_B - f_A}{f_A} = V \cdot \frac{N}{f_A} $$

ここで \(N = 3\)(うなり回数)を使うと:

$$ v = 340 \times \frac{3}{510} = 2.0 \text{ m/s} $$

うなり回数から直接速度を求められます。

Point

「遠ざけて消えた」→ 元が高い、「近づけて消えた」→ 元が低い。動かす方向とうなりの増減から大小関係を判断しましょう。