センター2018物理第1問 問2「音波の性質」

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■空気中の音の速さは温度で決まる

物理が苦手な文子
音波に関する記述の中から正しいものを選べばいいのね。

物理が得意な秀樹
順番に見ていこう。

物理が苦手な文子
①からね。音の速さって,振動数で変わるんだっけ?

物理が得意な秀樹
音波に限らず一般的な波に関する式で,こんなのがあるね。

物理が苦手な文子
ということは,波長が一定であれば,音の速さと振動数は比例するっていうことね。つまり答えは①ね。

物理が得意な秀樹
ちょっと待ってよ。確かに波長が一定であればそう言えるけど,波長は一定なの?

物理が苦手な文子
「波長が一定」じゃだめなの?

物理が得意な秀樹
通常は音波の波長は一定じゃないんだよ。気柱共鳴などの図を描くとき,振動数が変わったら波長も変えて描いたんじゃない?

物理が苦手な文子
そうか,そう言われれば基本振動,2倍振動など波長を変えて描いたわね。それじゃあ,波長が一定じゃなければ,速さと振動数は比例しないっていうこと?

物理が得意な秀樹
そうだね。大切なのは「空気中を伝わる音の速さは気温で決まる」ということなんだ。

物理が苦手な文子
気温がわかれば音の速さもわかるっていうこと?

物理が得意な秀樹
そう,上の式からもわかるように,温度だけで決まるんだ。例えば,温度が20℃だったら音の速さは331.5+0.6×20=343.5m/sということになるんだ。

物理が苦手な文子
それじゃあ,温度が変わらないから音の速さは一定だと考えていいの?

物理が得意な秀樹
温度が変わらないとは書いていないけど,少なくとも振動数が変わった結果,音の速さも変わるっていうことはないね。

■1オクターブ高い音は,振動数が2倍

物理が苦手な文子
①は違うということね。次は②ね。音が1オクターブ高くなるって,ドの音が高いドの音になるっていうこと?

物理が得意な秀樹
そういうことだろうね。ただ,1オクターブであることは今はあまり問題ではなくて,音が高くなるっていうことが重要なんだ。つまり,音が高くなると波長は長くなる?短くなる?

物理が苦手な文子
「音が高くなる」って,「振動数が大きくなる」っていうことよね。

物理が苦手な文子
さっきのv=f\lambdaを考えると,音の速さは変わらないとすれば,振動数と波長は反比例の関係ね。音が高いと波長は短くなるということね。

物理が得意な秀樹
そうなんだよ。②も違うっていうことだね。ちなみに,音が1オクターブ高くなると振動数が2倍になるんだ。波長は2分の1になるんだよ。

■「回折」は障害物の背後に回り込む現象

物理が苦手な文子
そうなのね。③の文章は「回折」がキーワードね。文字から判断すると回折は「まわっておれる」っていうことだから,文中の「まわりこむ」っていう表現は合ってそうな感じがするけど。

物理が得意な秀樹
「回折」っていうのは,波が障害物の陰にまわりこむ現象をいうんだ。海の波が防波堤の隙間から回り込んだり,電波が建物の陰に回り込んだり,音が塀の裏側に回り込んだり結構いろいろなところで見られる現象だね。
 例えば,防波堤に波が左からぶつかった図を描いてみるよ。

物理が苦手な文子
ぶつかった波が防波堤の隙間を抜けると,広がっていくのね。

物理が得意な秀樹
広がってはいるんだけど,進行方向を描いてみると,防波堤を抜けて折れ曲がっているでしょ。なので「回折」っていうんだ。

物理が苦手な文子
なるほどね。そういえば,光の分野で「回折格子」って出てきたけど,それも回折なの?

物理が得意な秀樹
そうだよ。回折格子には光にとっての障害物であるガラス面のキズがあって,キズとキズの間から光が回折して広がっていくんだ。

物理が苦手な文子
へーそうなんだ。じゃあ,③の文章は正しいっていうこと?

物理が得意な秀樹
そう,答えは③ということだ。一応④,⑤の文章も見ておこうか。

■うなりの回数は振動数の差

物理が苦手な文子
④はうなりの説明ね。こんな式があったわよね。

物理が得意な秀樹
そうだね。1秒間に生じるうなりの回数は,振動数の差で求められるんだよね。

物理が苦手な文子
④の文章でいうと,「振幅」が異なるんじゃなくて,「振動数」が少し異なる二つの波で唸りが生じるっていうことね。

物理が得意な秀樹
そういうことだ。

■音源が近づくとき,振動数が大きくなる

物理が苦手な文子
⑤は何を言ってるの?

物理が得意な秀樹
音源が動いて観測者が聞く音の振動数の話をしているから,ドップラー効果についてだね。

物理が苦手な文子
ドップラー効果の公式は確かこんな感じよね。

物理が得意な秀樹
もちろん,ドップラー効果の公式から考えてもいいんだけど,日常の経験から考えても分かるんじゃないかな。救急車がサイレンを鳴らしながら近づいてくるとき,音は高くなっている?低くなっている?

物理が苦手な文子
近づいてくるときは高くなってるわ。

物理が得意な秀樹
そうだよね。近づいてくる音源の速さが,速ければ速いほど音は高くなるんだけど,振動数で考えると大きくなるっていうことだよね。

物理が苦手な文子
そうね。⑤の文章は最後が「大きくなる」って書いてあれば正しい文章ね。

物理が得意な秀樹
その通り。この問題の答えは③でした。

 

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