波動の問題
軸にそって張られた長いひもを、正弦波が 軸の負の向きに速さ で伝わっている。ひもの各点の変位 は 軸に垂直な向きにとる。原点 ()にあるひもの点の、時刻 における変位 は
と表される。位置 にあるひもの点 の、時刻 における変位は何 m か。符号を含めて有効数字 2 桁で求めよ。
この問題で使うもの
- 正弦波の式(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(21 技能)
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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
技能「正弦波の式」を使います。原点の振動の式から、 軸の負の向きに進む正弦波の式 を書きましょう。
ヒント 2
原点の式から がわかります。波長は で求められます。負の向きに進む波では、位置 の点は原点より だけ先の振動をしています。
ヒント 3
なので 。ここに 、 を代入すると、かっこの中は になります。
答えと解説
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解説を読む
1. 式から振幅と周期を読み取る
原点の振動の式 と比べると、振幅 、周期 である。
2. 波長を求める
より
3. 負の向きに進む波の式をつくる
波は 軸の負の向きに進むので、位置 ()の点には原点より だけ早く波が届く。つまり位置 の点は、原点が時刻 にする振動を時刻 に行う。よって
4. 値を代入する
、 を代入すると
なので
したがって、点 の変位は である。
別解
波は 軸の負の向きに速さ で伝わるので、位置 の点の振動は原点の振動より時間 だけ先行する(波は P を通過してから原点に届く)。したがって
周期は 、波長は である。
、 を代入すると、
検算:P は原点より 先行して振動する。時刻 s での P の変位は、原点の時刻 s の変位に等しい。 となり一致する。したがって変位は 。