教科書(物理基礎) 問a:波の速さの公式

解法

直感的理解
波源が1秒間に \(f\) 個の波を送り出し、1個の波の長さが \(\lambda\) なら、1秒間に波の先端は \(f \times \lambda\) だけ進みます。これが波の速さ \(v = f\lambda\) の直感的な意味です。

波の速さの公式を導きます。波は1周期 \(T\) の間にちょうど1波長 \(\lambda\) だけ進むので、

$$ v = \frac{\lambda}{T} $$

ここで振動数 \(f = \frac{1}{T}\) を代入すると、

$$ v = \frac{\lambda}{T} = \lambda \cdot \frac{1}{T} = f\lambda $$

すなわち、

$$ \boxed{v = f\lambda} $$

具体例: \(f = 2.0\) Hz、\(\lambda = 1.5\) m のとき、

$$ v = 2.0 \times 1.5 = 3.0 \, \text{m/s} $$
答え:
\(v = f\lambda\)(波の速さ = 振動数 × 波長)
補足:波の速さは媒質で決まる

重要な注意点として、波の速さ \(v\) は媒質の性質で決まり、振動数や振幅には依存しません

例えば弦を伝わる横波の速さは \(v = \sqrt{S/\rho}\)(\(S\):張力、\(\rho\):線密度)で決まります。振動数を上げても速さは変わらず、代わりに波長が短くなります。

$$ v = f\lambda = \text{一定} \quad \Rightarrow \quad f \uparrow \text{ なら } \lambda \downarrow $$

シミュレーションで振動数を変えると波長は変わりますが、速さ(= \(f\lambda\))はスライダー次第で変わることに注意しましょう。実際の物理では媒質が同じなら速さ一定です。

数値計算:1.5 × 3.0 = 4.50 m/s

数値計算:1.5 × 3.0 = 4.50 m/s

Point

\(v = f\lambda\) は波動のすべての基本となる公式です。「1秒間に \(f\) 個の波が出て、1個の長さが \(\lambda\) だから、1秒間に \(f\lambda\) だけ進む」とイメージしましょう。