固定端反射・自由端反射って何?わかりやすく解説

今回は波の分野の固定端反射・自由端反射について考えていきます。

波は高校物理学の中でもわかりにくい表現が多いですが、固定端・自由端も慣れるまでは割と理解しにくいです。ですが、原理原則をきちんと理解すればきちんと理解できるものでもあります。

ニガテな受験生が多いのであれば、得意になればそれだけ有利になりますよね。

ぜひ当記事を参考に、固定端・自由端を得意にしてしまいましょう!

 

波は反射する

電柱にくくりつけた縄跳びのヒモを揺らすと、波が何度も行ったり来たりを繰り返しますよね。堤防にぶつかった波は水しぶきをあげながらザバーンと跳ね返っていきます。

自然の例を考えてもわかるように、波が伝わる媒質に端がある時、端にぶつかった波は反射をします。

今回はそんな波の反射について考えていきます。

 

波の反射は2種類に分けられる

まず、波の反射は2種類に分けることができます。それが固定端反射自由端反射です。

 

【波の反射】

固定端・・・媒質の端が固定された状態で起こる波の反射

自由端・・・媒質の端が固定されず自由な状態で起こる波の反射

 

イメージしやすいように

 

固定端反射・・・電柱にくくりつけた縄跳びのヒモを揺らした時の反射

自由端反射・・・プールサイドにぶつかる波の反射

 

とでも覚えてしまいましょう。

では固定端反射と自由端反射には、それぞれ物理的にどんな意味があるのでしょうか?

 

固定端反射は変位が0になる

まずは固定端反射から。固定端反射はその名の通り「媒質の端が固定された状態で起こる反射」です。

端が固定されているということはつまり、反射した時の波の変位は必ず0になります。

つまり固定端反射は、波の入射波と反射波が重ね合わせの原理で合成された時、端の変位が0になるようになれば良いということです。

そのため山で入射した波が谷で反射されないといけません。

ちょっとイメージしにくいので、画像のような状態を考えましょう。

 

 

固定端を中心として対称に、入射波と反射波(入射波と山と谷が逆)が同じ速さで向かい合っている状態です。点線で表示された反射波は実際には存在しない仮想のものですが、実際の波はこれから説明する動きをします。

この状態の時に固定端で波と波が重なり合うと、固定端では2つの波は常に逆の位相(山と谷が逆で大きさが同じ)状態になるので、固定端の変位は常に0になります。

 

 

そして入射波と山と谷が逆の状態となった反射波が以下の画像のように観測されます。

 

 

これが固定端反射の物理的な考え方です。

 

自由端反射は変位が2倍になる

一方で自由端反射の場合、波の変位は2倍になります。

固定端反射と同じように考えてみましょう。

固定端反射の時は入射波と反射波の山と谷が入れ替わりましたが、自由端反射の場合は山と谷が入れ替わらず、山は山として、谷は谷として反射します。

 

 

すると自由端で重ね合った波は入射波と反射波の変位を合成したものになるので、端での変位が2倍になるというわけです。

 

 

実際に観測される反射波は、元の波と同じ速さで反対向きに進んでいきます。

 

これが自由端反射の物理的な考え方です。

 

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まとめ

固定端反射と自由端反射で理解しないといけないのは、それぞれの波が反射された時、どのような特徴を持つかです。

最後にまとめておきましょう。

【まとめ】

固定端反射・・・波の変位が0になる

自由端反射・・・波の変位が2倍になる

反射の問題が出題される時は必ず固定端か自由端かの説明が入るので、今回の記事で解説したそれぞれの特徴をしっかり覚えて、確実な得点源にしてしまいましょう!


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