物理学の「波」わかりやすく解説

「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。

波の分野で覚えるべき基本の定義
波長λ[m]:波の山から山(谷から谷)の長さ
周期T[s]:波が1往復振動するまでの時間
振動数(周波数)f[Hz]:波の1秒あたりの振動回数

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。

 

物理の偏差値を上げるなら
【オリジナル教科書「力学の考え方」配布!】

物理がニガテな受験生は迷わずダウンロード!偏差値爆上げ!

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
f=\frac{1}{T}
v=\frac{\lambda}{T}
v=f{\lambda}

「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、

f=\frac{1}{T}・・・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1/3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1秒間に1波長{\lambda}[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

v=\frac{\lambda}{T}・・・②

あとは①式と②式からTを除外すれば

v=f{\lambda}

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v=f{\lambda}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

[Hz]=[1/s]

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
f=\frac{1}{T}
v=\frac{\lambda}{T}
v=f{\lambda}

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!


公式LINEで随時質問も受け付けていますので、わからないことはいつでも聞いてくださいね!
公式LINEで質問する


波動についてさらに詳しく勉強したい方は、こちらのまとめ記事をぜひ参考に↓↓↓

【波動についてもっと詳しく学ぶ】
波動の要点まとめ【物理の偏差値を上げる方法】

物理の偏差値を伸ばしたい受験生必見

偏差値60以下の人。勉強法を見直すべきです。

僕は高校入学時は国公立大学すら目指せない実力でしたが、最終的に物理の偏差値を80近くまで伸ばし、京大模試で7位を取り、京都大学に合格しました。

しかし、これは順調に伸びたのではなく、あるコツを掴むことが出来たからです。

その一番のきっかけになったのを『力学の考え方』にまとめました。

力学の基本中の基本です。

色々な問題に応用が効きますし、今でも僕はこの考え方に沿って問題を解いています。

最強のセオリーです。

LINEで無料プレゼントしてます。

>>>詳しくはこちらをクリック<<<

もしくは、下記画像をクリック!

>>>力学の考え方を受け取る<<<


コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です