波と光学:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、4 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

1公式と解法

ばねと振り子

ばね振り子
T = 2π·√(m/k)
単振り子
T = 2π·√(L/g)
角周波数
ω = √(k/m) = 2π/T
最大の速さと最大の加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
エネルギー
E = ½·k·A²

波・音・光学

波の速さ
v = fλ, T = 1/f
弦
v = √(T/μ), μ = m/L
音の強さのレベル
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
点音源
I = P/(4πr²)
定常波
弦または開管 fn = n·v/(2L); 閉管 fn = n·v/(4L)、n は奇数
ドップラー効果
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
屈折率
n = c/v, λ = λ0/n
スネルの法則
n1sin θ1 = n2sin θ2
臨界角
sin θc = n2/n1
光ファイバー
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
レンズと鏡
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
二重スリット
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
回折格子
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
単スリット
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

解き方

  1. 問題の種類を見極めましょう:波の速さ、音の強さのレベル、定常波、ドップラー効果、屈折、レンズか鏡、または干渉。
  2. まず関係式を書きましょう:v = fλ、β = 10·log(I/I₀)、fₙ = n·v/(2L) または n·v/(4L)、f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs)、n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂、1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ、d·sin θ = mλ。
  3. 単位を換算しましょう:nm、mm、cm を m に。角度が法線から測られているかも確かめましょう。
  4. 符号ともっともらしさを確かめましょう:虚像は dᵢ < 0、近づく音源は高く聞こえる、閉管には奇数次の倍音しかない。

2演習問題

1.ばねと振り子ふつう
L = 1.3 m

長さ 1.3 m の単振り子がある。g = 9.81 m/s² とする。小さな振れ幅での周期 T を求めよ。

L = 1.3 mg = 9.81 m/s²
T = s
2.ばねと振り子むずかしい
2.9 kgk = 430 N/mA = 4 cm

k = 430 N/m のばねにつけた質量 2.9 kg の物体を、つり合いの位置から 4 cm 引いて静かに放す。 最大の加速度 amax を求めよ。

m = 2.9 kgk = 430 N/mA = 4 cm
amax = m/s²
3.波・音・光学ふつう
95 dB?5 m20 m

小さな音源が、あらゆる方向に均等に音を出します。音源から 5 m の距離でのレベルは 95 dB です。吸収と反射を無視して、20 m の距離でのレベル β2 を求めてください。

β1 = 95 dBr1 = 5 mr2 = 20 m
β2 = dB
4.波・音・光学むずかしい
SO25 m/sf = 20 kHz

静止しているセンサーが、25 m/s で遠ざかる車に向けて 20 kHz の超音波を送り、エコーを発した信号と混合します。うなりの振動数 fb を求めてください(音速 343 m/s)。

f = 20 kHzu = 25 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3溶液

1.ばねと振り子

答え: T = 2.287 s

単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。

振り子の周期

T = 2π·√(1.3/9.81) = 2.287 s

答え

T = 2.287 s
2.ばねと振り子

答え: amax = 5.931 m/s²

単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。

角周波数

ω = √(430/2.9) = 12.18 rad/s

最大の加速度

amax = A·ω² = 0.04·12.18² = 5.931 m/s²

答え

amax = 5.931 m/s²
3.波・音・光学

答え: β2 = 82.96 dB

波:周期的な波は 1 周期で 1 波長だけ進むので、v = fλ、T = 1/f です。張られた弦では v = √(T/μ) で、T は張力、μ = m/L は 1 メートルあたりの質量です。空気中の音は 20 °C でおよそ 343 m/s、真空中の光は c = 3.00 × 10⁸ m/s で進みます。音の大きさは対数目盛りで測ります:β = 10·log₁₀(I/I₀) dB、I₀ = 10⁻¹² W/m² で、強さが 10 倍になると 10 dB 増えます。点音源はパワー P を球面に広げます:I = P/(4πr²)。

強さの比

I₂/I₁ = (5/20)² = 0.0625

新しいレベル

β₂ = 95 + 10·log₁₀(0.0625) = 82.96 dB

答え

β2 = 82.96 dB

距離が 2 倍になるごとに、レベルはおよそ 6 dB 下がります。

4.波・音・光学

答え: fb = 2717 Hz

定常波とドップラー効果:両端が固定された弦や両端が開いた管には、半波長の整数倍が収まります:L = nλ/2、fn = n·v/(2L)、n = 1, 2, 3, … 一端が閉じた管では、閉じた端が節、開いた端が腹になります:L = nλ/4(n は奇数のみ)、fn = n·v/(4L)。音源または観測者が両者を結ぶ線上を動くとき、f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs) となります:互いに近づく運動には上側の符号を使います。振動数がほぼ等しい 2 つの波は、|f₁ − f₂| でうなりを生じます。

車での振動数

f′ = 20000·(343 − 25)/343 = 18542 Hz

エコーの振動数

f″ = f′·343/(343 + 25) = 17283 Hz

うなりの振動数

fb = |f″ − f| = 2717 Hz

答え

fb = 2717 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics