物理学の「波」わかりやすく解説してみた

「波の基本式」は国語でいうひらがな、算数でいう九九と同じくらい、物理学の波の分野で基礎となるものです。

この公式をもとに様々な公式が導き出されたり、問題が出題されていくので、しっかりと理解しておく必要があるのです。

波は高校物理の分野の中でもただでさえややこしく苦手な人が多いです。この記事をしっかり読み込んで、波の基本をぜひマスターして得意分野にしてしまいましょう！

水面に石ころを落としてみると

静かな水面に真上から石ころを落とすと、石ころが落ちた一点を中心に振動が同心円上に広がっていきます。ここで石ころが落ちた点を通る断面を切り取ってみると図のように切り取ることができます。

山と谷が一定の間隔で連続していますね。この山と谷の連続が波の正体です。

波にはいくつか覚えておかないといけない基本的な物理量があります。

波で覚えるべき基本の定義

波の分野で基本として覚えておかないといけない定義をまとめました。それがこちら。

定義とは物理を考える上での基準となる決まりごとなので、これはそのまま覚えてください。定義をしっかりと覚えておかないと記述問題で原点の対象になってしまうので中です。

では、それぞれの用語を詳しく解説していきましょう。

波長

波長とは波の「ある山から次の山までの長さ」のことで通常λ（ラムダ）を使って表し、単位は[m]（メートル）です。画像で表すと以下の部分のことです。

画像の一つの山とその次の山までの長さです。ちなみに谷と谷の間の長さも同じです。波は同じ振動を繰り返していますから、波が１回分だけ振動する間に進む距離が波長になります。

周期

周期とは波が１往復分だけ振動するまでにかかる時間で、通常Tで表し単位は[s]（秒）です。画像で表してみましょう。

図を見てもわかるように波が「１波長＝λ」だけ進むのにかかる時間が周期です。

振動数（周波数）

振動数は波が１秒間に振動する回数のことで通常はfで表し、単位は[Hz]（ヘルツ）と読みます。

覚えておくべき波の基本公式３つ

基本の定義を覚えたところで、波で基本となる３つの公式についても知っておきましょう。これを知っておかないと波の分野の攻略はできません。

波の基本公式

「わけわからん！」と思っても安心してください。しっかりと「なぜこの公式が成り立ったか？」を理解すれば大丈夫。公式を覚える必要すらありません。

物理では公式の導出ができるかが重要です。場合によっては入試問題に導出そのものが出題されるので、これらの３つの公式も導出手順を理解していきましょう。

波の基本公式の導出方法

まず、振動数と周期の定義を思い出しましょう。それぞれ

振動数・・・波が１秒間で振動する回数
周期・・・波が１回振動するまでにかかる時間

でしたね。

この時、振動数をf[hz]周期をT[s]とすると、振動数は1秒を周期で割ると算出できますから、

・・・①

が成り立ちます。「???」となった人は落ち着いて考えてみましょう。これは具体的に図を使ってイメージするとわかりやすいです。

例えば、f=3の時、振動数の定義から波は1秒間の間に３往復分進んでいるということになります。

また、周期は波が１往復するまでにかかる時間なので、画像から周期は秒ということがわかりますね。

つまり振動数f[Hz]と周期T[s]は逆数の関係になるということです。

続いて、波はT秒間に１波長[m]だけ進むことから、波長を周期で割ってあげれば波の速度が求まります。よって

・・・②

あとは①式と②式からTを除外すれば

これで波の基本公式が導出できました。

波の基本公式からわかること

波の基本公式からわかるのは、波の速度が一定の時は振動数と波長は反比例の関係にあるということです。波長が長くなるほど振動数は小さくなり、振動数が多くなるほど波長は短くなるということですね。

おまけ：振動数の単位「Hz」の正体

①の式を見ると、振動数の単位は[1/s]となっていることがわかりますね。これを置き換えたものが[Hz]という単位です。つまり

になるということです。これを覚えておくと例えば振動数を求める問題の検算に使えて便利ですよ。
（実際は単位同士を「=」で結ぶのは間違った表現です。説明をわかりやすくするためのもののため、答案用紙に書くと減点の対象になるのでご注意を。）

まとめ

波の基本公式を最後にまとめます。

波の基本公式

導出の過程は比較的出題されるので、ぜひ本記事を何度も読み返して完璧に理解するようにしましょう！