物理　波動１　波の基本

どうも、やまとです。
ここからは波動について学習していきましょう。波の分野は、力学に比べると計算そのものは簡単なことが多いです。しかし苦手とする人がたくさんいます。波動で心を折られた、という人も知っています。きちんと理解していければ、難しいことはありません。１つずつ確認していきましょう！

”波”と聞いて思い浮かぶのは、”海の波”でしょうか。でもこの波はちょっと特殊なので、ここでは扱いません。これから考えていく波は”波形が進んでいく”ものです。上の図のひもを上下に振動させたとき、ばねにつながれた物体を振動させたときはどちらも物体は進んでいきません。その振動(波形)だけが伝わっていきます。波には音や光、電波などがあります。

波を伝える物質を”媒質”といいます。波は固体・液体・気体などの様々な状態の物質を伝わっていきます。表は媒質と具体的な波の例です。振動している物体はエネルギーを持っており、波はエネルギーを伝える現象ということができます。

波には”横波”と”縦波”の２種類があります。初めの図のひもを伝わる波は横波、ばねを伝わる波は縦波です。媒質の振動方向と波の進行方向に注意しましょう。それぞれ伝播できる状態が異なります。この後学んでいく光は横波ですが、横波は空間も伝わることができます。
波を表す要素として、横波で見てみましょう。一番高いところを”山”、低いところを”谷”といい、山と谷を一往復すると波が１個進んだと考えます。この波１つ分が”波長”です。振動中心から山、あるいは谷までが”振幅”です。

縦波は図で表すのが難しいため、横波式に表示する工夫をします。小球とばねに伝わる波を考えてください。図は小球の振動が隣の小球に伝わっていく様子を表しています。黒の点はまだ動いていない小球、青の点は動いている小球で、８分の９Tだけ時間が経ったときが一番下の図になります。このときの基準の位置からのずれを矢印で表しています。基準よりも右に変位していたら上に、左に変位していたら下に矢印を取り直しそれらを滑らかにつなぎます。これが縦波の横波表示です。問題で波のグラフが与えられたときは、それが横波なのか縦波なのかをよく注意しましょう。

ここは力学の単振動で学んだことの復習となります。等速円運動の正射影として単振動を表し、単振動の変位を時間変化で表すと正弦波が得られます。波の周期、振動数、位相についても確認しましょう。

波の伝わる速さについてです。水面を一定の間隔で振動させると、波紋が同心円状に広がります。実線の赤は山、破線の青は谷を表し、これを”波面”といいます。山から山まで、谷から谷までが１波長です。波は媒質中を等速で伝わりますから、１周期で１波長分進みます。これを基本として、周期と振動数の関係を使うと、ｖ＝fλという式が得られます。これを波の基本式として、力学における運動方程式のような位置づけで考えていきましょう。