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波の基本md 111fd37
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なみ基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_95d337354bab3c1345d51f829b7b2ecbdescription波を媒質の振動状態の伝搬として定義し、波長・周期・振動数・波数・角振動数・位相速度の関係を証明する講義である。prerequisites単位・次元 / 三角関数 / 関数の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/waves/waves-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/wave-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/standing-waves-basics.lecture.n.md
physicswaveswave-basicslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、なみでは媒質ばいしつそのものがとおくへはこばれるのではなく、振動しんどう状態じょうたいつたわるという性質せいしつ説明せつめいする。

げん一点いってん上下じょうげ振動しんどうするだけでも、やまたにかたちよこすすむ。このかたち移動いどう数式すうしきあらわすために、波長はちょう周期しゅうき振動数しんどうすう位相いそう定義ていぎする。

2用語ようご定義ていぎ

なみwaveとは、空間くうかん時間じかん依存いぞんする変位へんい圧力あつりょくなどの状態じょうたいつたわる現象げんしょうである。

媒質ばいしつmediumとは、なみつたえる物質ぶっしつである。げんなみではげん音波おんぱでは空気くうきなどが媒質ばいしつである。

波長はちょうwavelength λ は、おな位相いそうとなってあらわれる空間間隔くうかんかんかくである。

周期しゅうきperiod T は、おなてんが 1 かい振動しんどうする時間じかんである。

振動数しんどうすうfrequency f は、1 びょうあたりの振動回数しんどうかいすうである。

f=1T

角振動数かくしんどうすうangular frequency ω波数はすうwave number k

ω=2πf,k=2πλ

定義ていぎする。

3方針ほうしん

なみ問題もんだいでは、まずおな位相いそうがどれだけ時間じかんけてあらわれ、どれだけ距離きょりけてあらわれるかをる。そこから

v=fλ

る。正弦波せいげんはでは、位相いそう kx-ωt一定いっていたもてんうとはやさがかる。

4関係式かんけいしき 1:基本関係式きほんかんけいしき

なみが 1 周期しゅうき Tあいだに 1 波長はちょう λ だけすすむなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=fλ

である。

4.1証明しょうめい

はやさは

v=進んだ距離かかった時間

定義ていぎされる。1 周期しゅうき Tあいだ波形はけいは 1 波長はちょう λ だけすすむので、

v=λT

である。f=1/T より、

v=fλ

る。

5整理せいり 2:進行波しんこうはかたち

右向みぎむきにはやvすすなみ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]y(x,t)=F(x-vt)

かたちける。左向ひだりむきなら

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]y(x,t)=G(x+vt)

である。

5.1証明しょうめい

y(x,t)=F(x-vt) とする。位相いそう目印めじるしとして

x-vt=c

たすてんう。ここで c一定いっていである。整理せいりすると

x=vt+c

であり、時間じかん tえると xはやvえる。したがって波形はけい右向みぎむきにすすむ。

左向ひだりむきでは x+vt=cけば

x=-vt+c

となり、波形はけい左向ひだりむきにすすむ。

6関係式かんけいしき 3:正弦波せいげんは位相速度いそうそくど

正弦波せいげんは

y=Acos(kx-ωt+ϕ)

位相いそう一定いっていてんは、はや

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=ωk

すすむ。

6.1証明しょうめい

位相いそう

kx-ωt+ϕ

とする。おなやまうには、位相いそう一定いっていたもてばよい。したがって

kx-ωt+ϕ=c

である。時間じかん微分びぶんすると

kdxdt-ω=0

である。よって

dxdt=ωk

る。これは位相いそうすすはやさである。

7単位たんい確認かくにん

f[Hz;T-1],λ[m;L]

なので、

fλ[m/s;LT-1]

であり、はやさの単位たんいになる。k[1/m;L-1]ω[1/s;T-1] なので、ω/k[m/s;LT-1] である。

8具体例ぐたいれい

おとはやさを 340[m/s;LT-1]振動数しんどうすう440[Hz;T-1] とする。波長はちょう

λ=vf=340440[m;L]

である。振動数しんどうすうおおきいほど、おな媒質ばいしつでは波長はちょうみじかくなる。

9見分みわかた

  • 波長はちょう周期しゅうき振動数しんどうすうはやさがたら v=fλ使つかう。
  • kx-ωt なら右向みぎむき、kx+ωt なら左向ひだりむきにすすむ。
  • 媒質ばいしつわるとなみはやさがわる。振動数しんどうすう波源はげんまることがおおい。

10どこまで成立せいりつするか

v=fλ周期的しゅうきてきなみ基本関係きほんかんけいである。媒質ばいしつによってはやさが振動数しんどうすう依存いぞんする場合ばあいは、分散ぶんさんこり、波形はけい伝播でんぱしながら変形へんけいする。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=fλ=λT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]k=2πλ,ω=2πf,v=ωk

12一言ひとこと

なみでは、物質ぶっしつではなく位相いそうすすむ。まずおな位相いそうう。

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