位相ってなに?わかりやすく解説

この記事では高校物理の波動の分野で頻出の物理量である「位相」について解説します。

位相は波動の分野で必ず使う超基礎的な概念なので、物理を得点源にしたい受験生やこれから波動を学ぶ高校生は、ぜひ参考にしてください。

位相とは

では早速ですが、位相とはどんなものでしょうか?その定義がこちら。

位相の定義
位相とは周期的な運動の状態を表す量、単位は[rad](ラジアン)

例えば画像のような単振動する物体があったとして、y軸の中心に物体が原点にいる状態と、

y軸上を1回往復して原点に戻った状態、

それぞれの物体は見かけ上は同じ状態にありますよね。この状態を同位相と呼びます。

位相は周期的な運動を表す物理量ですが、主に波の分野で使うことが多いですね。

ではここからは円運動、単振動、波、それぞれでの位相の考え方について学んでいきましょう。

円運動の場合

反時計回りに円運動する物体が画像のような位置にいる時を原点としましょう。

物体が円運動をした時、物体の位相は\frac{\pi}{2}\pi\frac{3}{2}\pi2\pi、と変化していきます。

位相は弧度法を使って表すので、一周すると位相は2\piになります。

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単振動の場合

単振動の場合も位相の表し方は同じです。

y軸原点にいる時の位相を0とすると、単振動の位相は\frac{\pi}{2}\pi\frac{3}{2}\pi2\pi、と変化していきます。

円運動の時と同じように一周(位相が2\pi変化する)と原点(位相が0の状態)に戻ります。

(※補足:位相が0と\piを比べると一見すると同じ状態に見えますが、物体の運動する向きが逆になっているため、位相は逆の状態です。)

波の場合

波の場合も同様です。

x軸正の向きに進む正弦波について、波の位相は\frac{\pi}{2}\pi\frac{3}{2}\pi2\pi、と変化していきます。

波の場合も位相が2\pi変化すると位相0と同じ状態に戻りますね。

簡単な問題

ちょっとした問題で、位相の知識が理解できているかチェックしてみましょう。

 

問題

(問1)画像のような正弦波のA点と同位相の点を図示せよ
(問2)A点と逆位相の点を図示せよ

 

問1答え

同位相は位相が2\piだけ変化した状態なので、画像の星で図示した位相が答えです。

問2答え

逆位相とは位相が\piだけ変化した状態のことです。よって画像の三角で図示した箇所が答えです。

問2の補足

「位相が\piだけずれた状態が逆位相なら、なんで逆位相になる点がいくつもあるの?」と疑問に思った人もいるかもしれないので補足です。

A点を原点とした時に、三角形の点はそれぞれ左から「-3\pi-\pi\pi3\pi」となるのですが、4つの点は全て位相が2\piずれた状態になっていますよね?

位相は2\piだけずれると元の位相と一致する」という特徴を持っているため、4つの点は全て同じ位相、つまりA点の逆位相になるというわけです。

混乱しやすいですが、「2\piで元に戻る」という特徴を覚えておけば、わかりやすいですね。

まとめ

位相の覚えておくべき要点を最後にまとめておきます。

位相のまとめ

・位相は周期的な運動の状態を表す

・位相が2\pi変化すると位相0の状態に戻る

・位相が同じ状態を同位相、位相が\pi変化した状態を逆位相と呼ぶ

位相は波動の分野で忘れてはいけない重要な物理量です。

当記事を繰り返し読んで基礎をしっかりマスターしましょう!


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