教科書(物理基礎) 問b:波の速さの計算

解法

直感的理解
\(y\)-\(x\) 図から波長を、\(y\)-\(t\) 図から周期を読み取り、\(v = \frac{\lambda}{T}\) で速さを計算します。2つのグラフから異なる量を読み取って組み合わせるのがポイントです。

2つのグラフから読み取った値を使って波の速さを求めます。

\(y\)-\(x\) 図から波長を読み取ります。

$$ \lambda = 0.30 \, \text{m} $$

\(y\)-\(t\) 図から周期を読み取ります。

$$ T = 0.50 \, \text{s} $$

波の速さの公式に代入します。

$$ v = \frac{\lambda}{T} = \frac{0.30}{0.50} = \boldsymbol{0.60 \, \text{m/s}} $$

振動数を使っても同じ結果が得られます。

$$ f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0.50} = 2.0 \, \text{Hz} $$ $$ v = f\lambda = 2.0 \times 0.30 = 0.60 \, \text{m/s} \quad \checkmark $$
答え:
\(v = 0.60\) m/s
補足:グラフの読み取りで間違えやすいポイント

振幅と波長の混同: 振幅は縦軸(\(y\) の最大値)、波長は横軸(1周期分の \(x\) 方向の距離)です。「山から谷まで」は振幅の2倍であり、波長ではありません。

波長と周期の混同: \(y\)-\(x\) 図の横軸の1周期分が波長 \(\lambda\)、\(y\)-\(t\) 図の横軸の1周期分が周期 \(T\) です。同じ「1周期分」でも単位と物理的意味が異なります。

数値計算:計算すると 0.30 を得る。

数値計算:計算すると 0.30 を得る。

Point

\(y\)-\(x\) 図から波長 \(\lambda\)、\(y\)-\(t\) 図から周期 \(T\) を読み取り、\(v = \frac{\lambda}{T}\) で計算するのが最も基本的なパターンです。どちらのグラフからも振幅 \(A\) は読めますが、速さの情報は2つのグラフを組み合わせないと得られません。