教科書(物理基礎) 演習問題3:電磁波

解法

直感的理解
電磁波の総合問題です。\(c = f\lambda\) を使えば振動数から波長を,波長から振動数を求められます。さらに波長の大きさから電磁波の種類(電波・赤外線・可視光・紫外線・X線・γ線)を分類します。光速 \(c\) はどの電磁波でも同じ \(3.0 \times 10^8\) m/s です。

「振動数入力」「波長入力」を切り替え,スライダーで値を変えてください。プリセットボタンで身近な電磁波を即座に表示できます。波の形・分類・計算結果がリアルタイムで更新されます。

電磁波の計算公式

$$ c = f\lambda = 3.0 \times 10^8 \text{ m/s} $$ $$ \lambda = \frac{c}{f}, \quad f = \frac{c}{\lambda} $$

具体的な計算例

例1:FMラジオ局の周波数 \(f = 80\) MHz \(= 8.0 \times 10^7\) Hz の波長

$$ \lambda = \frac{3.0 \times 10^8}{8.0 \times 10^7} = 3.75 \text{ m} $$

→ 波長が数 m なので電波に分類。

例2:波長 \(\lambda = 500\) nm \(= 5.0 \times 10^{-7}\) m の光の振動数

$$ f = \frac{3.0 \times 10^8}{5.0 \times 10^{-7}} = 6.0 \times 10^{14} \text{ Hz} $$

→ 波長 380〜780 nm なので可視光線(緑色付近)。

例3:電子レンジの周波数 \(f = 2.45 \times 10^9\) Hz の波長

$$ \lambda = \frac{3.0 \times 10^8}{2.45 \times 10^9} = 0.122 \text{ m} \fallingdotseq 12.2 \text{ cm} $$

→ 波長 > 1 mm なので電波(マイクロ波)。

答え:
\(\lambda = c/f\) に値を代入して波長を計算。FMラジオ(80 MHz)→ 3.75 m(電波),緑色光(500 nm)→ \(6.0 \times 10^{14}\) Hz,電子レンジ(2.45 GHz)→ 12.2 cm(電波)。
補足:電磁波の分類の覚え方

波長の長い方から順に並べると(振動数は逆順):

電波 → 赤外線 → 可視光線 → 紫外線 → X線 → γ線

覚え方:「カいちゃんが愛くックスでンバ」

可視光線は波長 380 nm(紫)〜 780 nm(赤)のごく狭い範囲です。虹の七色は短い方から「紫・藍・青・緑・黄・橙・赤」です。

エネルギーは \(E = hf\) なので,振動数が大きい(波長が短い)ほどエネルギーが高い。X線やγ線が人体に有害なのはこのためです。

Point

\(c = f\lambda = 3.0 \times 10^8\) m/s は電磁波の種類によらず一定。振動数 \(f\) が大きいほど波長 \(\lambda\) は短い。波長から電波・赤外線・可視光線・紫外線・X線・γ線を分類する。