津波は波長が水深に比べて十分に長い波(浅水波、長波)であり、水深 の海域を伝わる速さ は、重力加速度の大きさを として で表される。水深 の海域を伝わる津波の速さは何 m/s か。 とし、小数第 1 位を四捨五入して整数で求めよ。
浅水波(長波)の速さ
波長が水深に比べて十分長い波の速さ を使って、水深から波の速さを求め、水深の違う海域での速さを比較できる
前提
- 波の要素と波の基本式 (高校物理 波動)
- 根号を含む式の計算と分母の有理化 (数学I 数と式)
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- 分母の有理化 (中学数学 数と式)
- 乗法公式・分配法則を使う根号の式の展開 (中学数学 数と式)
- 根号を含む式の計算と分母の有理化 (数学I 数と式)
説明
津波や潮の満ち干のように、波長が水深よりずっと長い波を浅水波(長波)といいます。浅水波の速さは、重力加速度の大きさ と水深 だけで決まり、 と表されます。この技能では、この式を使って水深から波の速さを求めたり、水深の違う海域で速さがどれだけ違うかを比べたりできるようになります。外洋で発生した津波が沿岸に届くまでの時間を見積もる場面などで使います。
なぜそうしてよいのか
ふつう私たちが海岸で見る波(風で立つ波)は、波長が水深に比べて短く、水が動くのは海面近くだけです。ところが波長が水深よりずっと長い波では、海面から海底までの水全体がいっしょに水平に行ったり来たりします。このとき、水を動かす原因は「水面が高いところは水圧が大きく、低いところは小さい」という水圧の差、つまり重力です。重力が強い( が大きい)ほど水を押し戻す力が強く、また水が深い( が大きい)ほど動ける水の層が厚くて波の形が速く伝わります。逆に、波長や周期は速さに関係しません。
速さが と だけで決まるなら、その組み合わせ方は単位から見当がつきます。 の単位は 、 の単位は なので、 の単位は で、その平方根をとるとちょうど速さの単位 になります。詳しく計算すると係数は 1 になり、
が成り立ちます(この式は、波長が水深に比べて十分長いときにだけ使えます)。
この式から、速さは水深の平方根に比例します。水深が 4 倍になれば速さは 倍、水深が になれば速さは になります。津波が外洋(深い海)ではジェット機ほど速く、沿岸の浅い海に近づくと遅くなるのはこのためです。なお、波が水深の違う海域に進んでも周期(振動数)は変わらないので、 より、浅い海で速さが小さくなると波長も短くなります。
手順
波長が水深に比べて十分長い波(浅水波)であることを確かめる
問題文から水深 と重力加速度の大きさ を読み取り、 を m に直す(km で与えられたら )
に代入して速さを求める。根号の中は のように整理すると計算しやすい
2 つの海域で比べるときは、 を使う( は約分で消える)
問題文の指示どおりに丸め、問われた単位で答える
例題
水深 の外洋を伝わる津波の速さは何 m/s か。津波の波長は水深に比べて十分長いものとし、重力加速度の大きさを とする。有効数字 2 桁で求めよ。
例題の解答
手順 1: 津波の波長は水深に比べて十分長いので、浅水波の式が使える。
手順 2: 、。
手順 3:
なので
手順 5: 有効数字 2 桁に丸めて 。
答え:
よくある誤り
根号をつけ忘れて としてしまう誤り。例えば水深 で とするのは誤り。正しくは 。
速さが水深に比例すると考えてしまう誤り。例えば水深が になると速さも になる、とするのは誤り。正しくは速さは水深の平方根に比例するので になる。
水深を km のまま代入してしまう誤り( など)。正しくは の単位 に合わせて水深を m に直し、 とする。
風で立つ波長の短い波にも を使ってしまう誤り。正しくは、この式は波長が水深に比べて十分長い波(津波など)にだけ使える。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
津波のように、波長が水深に比べて十分に長い波(長波)の速さ は、水深を 、重力加速度の大きさを として
で表される。ある海底地震で津波が発生し、震源の真上の海面から沿岸の港まで、次の 2 つの区間を順にまっすぐ伝わった。
区間 水深 距離 区間 A(外洋) 区間 B(大陸棚) それぞれの区間の中では水深は一定とみなし、 とする。津波が発生してから港に到達するまでの時間は何分か。整数で答えよ。
沖合の海底で地震が発生し、震源の真上の海面で津波が発生した。津波は、震源の真上の地点 から海岸の地点 まで一直線に進んだ。 から までの経路は、水深の異なる 3 つの区間に分けられ、各区間の水深は一定とみなせる。各区間の水深と長さを次の表に示す。
区間 水深 区間の長さ 区間 1( に近い側) 区間 2 区間 3( に近い側) 津波は波長が水深に比べて十分に長い波(長波)であり、その速さ は、水深を 、重力加速度の大きさを として
で表される。 とする。津波が で発生してから に到達するまでにかかる時間は何分か。小数第 1 位を四捨五入して整数で答えよ。ただし、区間の境目で水深が変わることによる影響や、津波の進路の曲がりは考えないものとする。海岸線がまっすぐにのびる地域の沖合で地震が起こり、震央の真上の海面の点 S を波源として津波が発生した。この海岸線上に、潮位を記録する観測点 A と B がある。A と B の間の距離は である。
海底地形を単純化して、海岸線から沖合まで海の水深はどこでも で一様であるとみなす。津波は点 S から全方向に同じ速さで直進して広がるものとする。また、津波は波長が水深に比べて十分に長い波(長波)であり、その速さ は、水深を 、重力加速度の大きさを として
で表される。 とする。地震の発生時刻と、各観測点で津波の到達が記録された時刻は次の表のとおりであった。
できごと 時刻 地震の発生(点 S で津波が発生) 10 時 00 分 00 秒 観測点 A に津波が到達 10 時 21 分 40 秒 観測点 B に津波が到達 10 時 33 分 20 秒 この海岸線上で津波が最も早く到達する地点に、津波が到達したのは地震発生の何分後か。小数第 1 位を四捨五入して整数で答えよ。
この技能の次に学べること
- 津波の到達時間 (高校地学 海洋)