教科書(物理基礎) 問5:波のグラフ

解法

直感的理解
波形グラフの読み取りは「何を読むか」を意識することが大切です。\(y\)-\(x\) 図の縦軸の最大値が振幅、山から次の山までの横軸距離が波長です。さらに速さがわかれば \(v = f\lambda\) で振動数・周期も計算できます。

\(x\) 軸上を正の向きに速さ \(v = 1.5\) m/s で進む正弦波の \(y\)-\(x\) グラフから各要素を読み取ります。

(1) 振幅と波長

グラフの \(y\) の最大値が振幅、山から次の山までの \(x\) 方向の距離が波長です。

$$ A = y_{\max} = \boldsymbol{1.0 \, \text{m}} $$ $$ \lambda = x_{\text{山}} - x_{\text{前の山}} = \boldsymbol{3.0 \, \text{m}} $$

(2) 周期と振動数

波の基本式 \(v = f\lambda\) を変形して振動数を求めます。

$$ f = \frac{v}{\lambda} = \frac{1.5}{3.0} = \boldsymbol{0.50 \, \text{Hz}} $$ $$ T = \frac{1}{f} = \frac{1}{0.50} = \boldsymbol{2.0 \, \text{s}} $$
答え:
(1) 振幅 \(A = 1.0\) m、波長 \(\lambda = 3.0\) m
(2) 振動数 \(f = 0.50\) Hz、周期 \(T = 2.0\) s
別解:周期から振動数を求める順序

先に周期を求め、そこから振動数を出す手順でも同じ結果になります。

$$ T = \frac{\lambda}{v} = \frac{3.0}{1.5} = 2.0 \, \text{s} $$ $$ f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2.0} = 0.50 \, \text{Hz} $$

どちらの手順でも答えは同じです。問題に合わせて使いやすい方を選びましょう。

数値計算:計算すると 2.0 を得る。

数値計算:計算すると 2.0 を得る。

Point

波の3要素(振幅・波長・速さ)を \(y\)-\(x\) 図から読み取り、\(v = f\lambda\) で振動数・周期に結びつけるのが基本パターンです。スライダーで振幅・波長を変えて、グラフの形と計算値の対応を確認しましょう。