「物理 波 わからない」そんなとき読みたい、絶対に分かる「波」。

こんにちは、ハルキャンパス代表講師の森です。

今日は、「物理 波 わからない」人のための記事を書きます。波って難しいし、苦手!!そういう声を、とてもよく聞きます。「物理 波 わからない」、「波 苦手」、で検索したくなる気持ち。わかります。だから、本気で書きます。

波が苦手という人も、絶対わかるようにします。大丈夫。けっこう、カンタンです。だから、皆さんもちょっと頑張ってみてください。

では、始めましょう。

※今回は、波の基本(λ・f・T・vなど)と、公式について理解することを目標としています。問題の解き方については、また別途。

※御託はいいから本質をはよ教えて、って方はまとめをドウゾ。

 


波って、なんだ!?

波ってなんだ。まずはそこから始めましょう。

イメージ自体は簡単ですね。「水に小石を落としたかんじ」。これです。

これを横から見たのがこれ。(最初の30秒くらい?)

これが波です。当たり前ですね。

さて、ここで真剣に理解してほしいことが、2つあります。まずはこれをおさえてください。

「波は、進む」ということ。
当たり前なのだけど、水面に小石を落とせば、波周囲へだんだん広がっていく=波は進んでいます。つまり、波はボールを投げるのと全く同じように、「進む」し、「速さ」がある。

②このとき「水自体は、進んでいない!(媒質は動かない)」ということ。
ここがあんまり分かってない人がいるような気がします。動画の「水」みたいに、波が通っていくものを「媒質(ばいしつ)」といいます(物理の教科書的には「媒質とは、振動を伝える物質」。)

この水(媒質)って、確かに上下には揺れているんだけど、別に横に動いているわけじゃないんですよね。

もう一度言います。「波は進む」けど、「媒質(水)は動かない」。これ、とりあえずそうなんだーと思っておいて下さい。

これまでの教え方では、「波」はわからなくて当然!?

さて、まず最初は導入として、「世の中で教えられている」やりかたで波を説明してみますね。

まず導入として、「ボールを投げる」シーンをイメージしてみて下さい。みなさんが習ってきたとおり、ボールを投げる時は「v(速度)」や「a(加速度)」を使いますよね。(物理の言葉では、そのボールが飛んでいるシーンを式や数字で表すことを「記述する」といいます)。

それと同じように「波」を説明する(記述する)ときにも、いろいろな数字が必要になってきます。それが「λ(波長)、T(周期)、v(速度)、f(振動数)(&振幅)」です。

わかりにくい!!!!し、多い!!!!

ここでつまづくんですよね。わかります。なんなんだλ(波長)とは、T(周期)とは、v(速度)とは、f(振動数)とは!という感じになります。

こんな難しい話はやめましょう。俺から言わせれば、何を難しいことを言っとんじゃ、という感じです。なのに、先生は当然のように「覚えろ!!」てな感じですね。

こんな説明で分かるわけないんです。もっともっと簡単に説明するよ。

大丈夫。波は、超カンタンです!!


物理の波、どう苦手を克服すべき?【波は、電車だ。】

まず、「波の見方」を説明します。

最初に、波は「ずーーーっと続いてる」ということをおさえてください。

 

 

「波」は、うしろにも、まえにも、本当はずーっとつながっています。でも、それを全部は書けないですね。

だから、物理の世界では、そのうちの一部分だけを取り上げて、「波」を理解することにすることにしています。

具体的は、波は下のような「アガッテ・サガッテ」「ひとつ」、と見ることにしています。

 

 

この「波ひとつ」に関わる情報が、λやT、fです。でも、このままでは少しわかりにくいので、別の見方で見てみましょう。実は、

【波は「電車」だと考えるとわかりやすい】です。

 

この見方を手に入れると、波はとても簡単に理解できます。

この波の電車は、車両が前にも後ろにもずっと続いています。そして車両には、波が「ひとつぶん(アガッテ・サガッテ)」ずつ入っています。

これを使って、λ、T…を説明していきます!


波長、周期、速度、振動数を身につける。

難しい波も、「車両」だと思うとスッキリ簡単に理解できます。

もう一度、念のため説明すると、波は「アガッテ・サガッテ」でひとつぶん。これが「1車両」です。さ、説明しますよ!

 

 

波長(λ):波長は、車両の長さと同じです。長さだから、単位はm。
速度(v):速度は、電車の速度と同じです。単位はm/s。
振幅:縦の長さの半分。単位はm。

わかった?ここまでは超カンタンだね。

 

周期と振動数は、ちょっとだけ難しいので、説明します。

■周期(T):

周期(T)は、「1車両ぶんだけ進むのにかかる時間」のこと。単位はs(秒)。
例えば【周期T=4秒】だったら、電車はこんな風に進んでいくはず。

これを見てわかるとおり、「1車両」分進むのに、今回は4秒かかった。
逆に、例えば周期T=1/100秒だったら、1車両分進むのに1/100秒かかる、ということ。
この【1車両ぶんだけ進むのにかかる時間】のことを「周期」と呼びます。

※なんで「周期」っていうのかは、三角関数を習ったなら、y=sinθのグラフを考えればわかるでしょうか?【1車両分進む】っていうのは、三角関数で考えると2π分=【一周分】進む、っていうことですね。(わかりにくいと思ったら飛ばして下さい。)

 

■振動数(f):

振動数は、周期Tの逆数、と説明されます。単位はHz(ヘルツ)
いやいや、ヘルツってなんだ。こんな単位は良くない。

車両、で説明しましょう。

・周期Tは、「何秒で1車両すすみますか?」のこと。
・振動数fは、「1秒で、車両でいうと、いくつ分すすみますか?」ということです。

以下を見て下さい。

上の図は、周期Tを説明するのに使った画像。これは、「4秒で1車両」進むんでした。この時の「4秒」が周期でしたね。

では、1秒ではどれくらい進んでいるかというと…。
そう、1秒で「車両の1/4個分」ですね。

これが振動数(f)の正体。そして、このfの単位=Hz(ヘルツ)っていうのは、要するに「個」。でも、物理で「1個」なんて単位はありません。だからHz(ヘルツ)、と呼ぶことにしたわけです。

1秒あたり1/4個ぶん、車両(=波)が進む。
これを振動数でいえば、fは1/4個=1/4Hzなのね。

改めて整理します。振動数fとは、「1秒で、車両いくつ分すすみますか?」のこと。単位はHz(=個)

※なんで振動数っていうのかって、本当は「車両」じゃなくて「波」だからです。振動数fが3Hzなら、「1秒に3車両」進む。波で言えば、「1秒に、波が3つ進む」。このとき、波が進むと、水面は「3回揺れる=3回振動する」よね。その「揺れる回数」が「振動数」なわけです。

※ちなみに、今回は振動数fは例として1/4Hzと表わしたけど、「ラ」の音の振動数fは「440Hz」。つまり、1秒あたり440個の車両が過ぎ去っている(=1秒に、波が440個。)これくらい揺れると、音になって聞こえるわけです。…スゴイ揺れ方です。


「波の公式」を理解しよう。

一旦、整理します。

波長(λ):車両の長さ。長さだから、単位はm(メートル)。
速度(v):電車の速度。単位はm/s(メートル毎秒)。
振幅:縦の長さの半分。単位はm(メートル)。
■周期(T):1車両ぶんだけ進むのに必要な時間。単位はs(秒)。
■振動数(f):1秒で、車両いくつ分すすむか。単位はHz(ヘルツ)=個。

ここで、波の2つの公式を見てみましょう。

★ v=λf=λ/T
★ f=1/T

嫌いだ!!と思う人がいるかもしれないけれど、大丈夫。落ち着いて確認してみましょう。


①【v=λf=λ/T】

基本的には、【v=λ/T】で理解しよう。

(電車の速度)=(車両の長さ)/(1車両ぶんだけ進むのに必要な時間。)

わかりますか?実はこの公式、ただの「みはじ」なんです。

例えば電車Aについて、
・車両1つの長さが「8m」でした。(λ=8)
・電車Aは、車両1つぶん進むのに「2秒」かかります。(T=2)
さあ、電車Aの速度は?

つまり、2秒で8m(車両1つぶん)進んでるんだから…

…そりゃ、速度は4m/sですよね。当たり前です。

それが【v=λ/T】。
超カンタンです。つまりは「みはじの法則(速さ=道のり/時間)」だ!

 


②【f=1/T】

なんかわかりにくい気がするのかもしれないけれど、改めて定義を見てみよう。

■周期(T):1車両ぶんだけ進むのに必要な時間。単位はs(秒)。
■振動数(f):1秒で、車両いくつ分すすむか。単位はHz(ヘルツ)≒個。

つまり、
1車両ぶん進むのに5秒かかるんです。(T=5)
・では、1秒では車両何個分くらい進むんですか?
→1/5個ぶんだよね。(f=1/5)

1秒で20個くらい車両が進みますよ。(f=20)
・では、1車両ぶん進むのに、何秒かかりますか?
→1/20秒だよね。(T=1/20)

てこと。ウン、こうしてみると意外にカンタンです。


波を表す数値と、公式のまとめ。

まとめます。

波長(λ):車両の長さ。長さだから、単位はm(メートル)。
速度(v):電車の速度。単位はm/s(メートル毎秒)。
振幅:縦の長さの半分。単位はm(メートル)。
■周期(T):1車両ぶんだけ進むのに必要な時間。単位はs(秒)。
■振動数(f):1秒で、車両いくつ分すすむか。単位はHz(ヘルツ)≒個。

更に、

【v=λf=λ/T】:(電車の速度)=(車両の長さ)/(1車両進むのにかかる時間)
【f=1/T】:(1秒あたりに進む車両の数)=1/(車両1個進むのにかかる時間)

いかがでしょうか?

分からなかったら、もう一度該当箇所を読んでみましょう。波は、決して難しくない。きっと分かるはず!

 

以下、参考書など。

「わかりやすい高校物理の部屋」
動く図など、とってもわかりやすいです。
http://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/wave/hadou/hadou.html

福岡さんの「生物と無生物のあいだ」。読みやすく、めっちゃおもしろいです。

ノーベル物理学賞を授賞した物理学者「R.P.ファインマン」。でもその中身は、好奇心で常にいっぱいの子どものようなひと。
少しでも好奇心を抱いたなら、まずは一度読んでみて。

 

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投稿者:

森 一貴

山形県出身、東京大学教養学部卒。コンサルティング企業にて勤務後、鯖江市ゆるい移住に参加。現在、考える力を伝えるプロジェクト「CUE」代表。