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 = 2.7 m

長さ 2.7 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 = 2.7 mg = 9.81 m/s²
T = s
2.ばねと振り子むずかしい
3.5 kgk = 100 N/m450 m/s

450 m/s で動く質量 5 g の弾丸が、摩擦のない面上に静止している質量 3.5 kg の木片に当たってとどまる。木片は k = 100 N/m の水平なばねにつながれている。生じる振動の振幅 A を cm で求めよ。

m = 5 gv = 450 m/sM = 3.5 kgk = 100 N/m
A = cm
3.波・音・光学ふつう
FFdo​ = 6 cmf = −12 cm

物体が、焦点距離 12 cm の薄い 発散 レンズの 6 cm 前にあります。像の距離 di を求めてください。符号の規則は 1/f = 1/do + 1/di を使います(発散レンズでは f < 0、虚像では di < 0)。

do = 6 cmf = −12 cm
di = cm
4.波・音・光学むずかしい
λ = 500 nma = 0.15 mmL = 1 m

波長 500 nm の光が、幅 0.15 mm の単スリットを通ります。1 m 先のスクリーン上の、中央の明るい極大の幅 w(両側の最初の暗線の間)を求めてください。

λ = 500 nma = 0.15 mmL = 1 m
w = mm

3溶液

1.ばねと振り子

答え: T = 3.296 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·√(2.7/9.81) = 3.296 s

答え

T = 3.296 s
2.ばねと振り子

答え: A = 12.02 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

衝突後の速さ

V = m·v/(m + M) = 0.005·450/3.505 = 0.6419 m/s

角周波数

ω = √(k/(m + M)) = √(100/3.505) = 5.341 rad/s

振幅

A = V/ω = 0.6419/5.341 = 0.1202 m = 12.02 cm

答え

A = 12.02 cm
3.波・音・光学

答え: di = −4 cm

幾何光学:境界では n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(スネルの法則)が成り立ち、角度は法線から測り、n = c/v です。より遅い媒質に入るとき、光線は法線に近づくように曲がります。より密な媒質(n₁ > n₂)から臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) を超えると、すべての光が反射されます:全反射です。薄いレンズと球面鏡は 1/f = 1/do + 1/di に従い、倍率は m = −di/do です。符号の規則:収束レンズと凹面鏡(f = R/2)では f > 0、発散レンズと凸面鏡では f < 0 です。di > 0 は実像、di < 0 は虚像、m < 0 は倒立した像を表します。

薄いレンズの式

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−12) − 1/6
di = −4 cm
FF6 cmf = −12 cm

光線図

虚像、物体と同じ側

答え

di = −4 cm
4.波・音・光学

答え: w = 6.667 mm

干渉と回折:距離 d だけ離れた 2 本のスリットを通った光は、スクリーン上の点に行路差 d·sin θ で届きます。明線は d·sin θ = mλ(m = 0, ±1, ±2, …)の位置に現れます。スクリーンまでの距離が L ≫ d のとき、m 番目の明線は y = mλL/d の位置にあり、縞の間隔は Δy = λL/d です。1 ミリメートルあたり N 本の線をもつ回折格子では d = 1/N で、鋭い極大が d·sin θ = mλ の位置に現れます。sin θ ≤ 1 なので、最高次数は m ≤ d/λ を満たす最大の整数 m です。幅 a の単スリットでは、a·sin θ = mλ(m = ±1, ±2, …)の位置に暗線ができます。

最初の暗線

y₁ = λL/a = 500 × 10⁻⁹·1/(0.15 × 10⁻³) = 3.333 mm

中央の極大の幅

w = 2y₁ = 6.667 mm

答え

w = 6.667 mm

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