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第16章波動

16.2 Mathematics of Waves16.2 波を表す数学

Learning Objectives学習目標

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By the end of this section, you will be able to:
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この節を終えると、次のことができるようになる。
  • Model a wave, moving with a constant wave velocity, with a mathematical expression
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    一定の速度で進む波を数式で表す。
  • Calculate the velocity and acceleration of the medium
    英語のヒント
    媒質の速度と加速度を計算する。
  • Show how the velocity of the medium differs from the wave velocity (propagation velocity)
    英語のヒント
    媒質の速度と波の速度、すなわち伝播速度の違いを示す。
In the previous section, we described periodic waves by their characteristics of wavelength, period, amplitude, and wave speed of the wave. Waves can also be described by the motion of the particles of the medium through which the waves move. The position of particles of the medium can be mathematically modeled as wave functions, which can be used to find the position, velocity, and acceleration of the particles of the medium of the wave at any time.
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前節では、波長、周期、振幅、波の速さによって周期的な波を説明した。波は、媒質を構成する粒子の運動によっても表せる。粒子の位置を波動関数として数学的に表すと、任意の時刻の粒子の位置、速度、加速度を求められる。

Pulsesパルス波

A pulse can be described as wave consisting of a single disturbance that moves through the medium with a constant amplitude. The pulse moves as a pattern that maintains its shape as it propagates with a constant wave speed. Because the wave speed is constant, the distance the pulse moves in a time Δt is equal to Δx=vΔt (Figure 16.8).
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パルス波は、一定の振幅で媒質を伝わる単一の乱れからなる波といえる。一定の波の速さで伝わりながら、形を保つ模様として移動する。速さが一定なので、時間Δtに進む距離はΔx=vΔtに等しい(図16.8)。
(a) は時刻t=0の、山が一つだけあるパルス波。波の始まりから終わりまでの距離をλと記す。山はy=0にあり、原点から山までの鉛直距離をAと示す。波は速度vで右へ進む。(b) は時刻t=t₁の同じ波で、パルスは右へ移動している。山からy軸までの水平距離をΔx=vΔtと示す。

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Figure 16.8図 16.8
The pulse at time t=0 is centered on x=0 with amplitude A. The pulse moves as a pattern with a constant shape, with a constant maximum value A. The velocity is constant and the pulse moves a distance Δx=vΔt in a time Δt. The distance traveled is measured with any convenient point on the pulse. In this figure, the crest is used.
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時刻t=0のパルスはx=0を中心とし、振幅はAである。形と最大値Aを保ちながら移動する。速度は一定で、時間Δtに距離Δx=vΔtだけ進む。移動距離は、パルス上の都合のよい点で測れ、この図では山を使っている。

Modeling a One-Dimensional Sinusoidal Wave using a Wave Function波動関数で1次元の正弦波を表す

Consider a string kept at a constant tension FT where one end is fixed and the free end is oscillated between y=+A and y=−A by a mechanical device at a constant frequency. Figure 16.9 shows snapshots of the wave at an interval of an eighth of a period, beginning after one period (t=T).
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張力FTを一定に保った糸を考える。一端を固定し、機械装置によって自由端をy=+Aとy=−Aの間で、一定の振動数で動かす。図16.9は、1周期後(t=T)から、8分の1周期ごとに波の様子を示す。
右へ進む横波の様子を、T/8の間隔で示す。波の各点を記した点印は、−Aと+Aの間を上下する。t=Tにつり合いの位置にある点は、t=T+2T/8で+A、t=T+4T/8でつり合いの位置、t=T+6T/8で−Aとなり、t=2Tに再びつり合いへ戻る。同様に、すべての点はt=2Tで元の位置へ戻る。

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Figure 16.9図 16.9
Snapshots of a transverse wave moving through a string under tension, beginning at time t=T and taken at intervals of 18T. Colored dots are used to highlight points on the string. Points that are a wavelength apart in the x-direction are highlighted with the same color dots.
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張力をかけた糸を進む横波を、時刻t=Tから18T間隔で描いた図。糸の各点を色付きの点で強調し、x方向に1波長離れた点を同じ色で示す。
Notice that each select point on the string (marked by colored dots) oscillates up and down in simple harmonic motion, between y=+A and y=−A, with a period T. The wave on the string is sinusoidal and is translating in the positive x-direction as time progresses.
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色付きの点で示した糸の各点は、y=+Aとy=−Aの間を、周期Tで上下に単振動する。糸の波形は正弦波で、時間が進むにつれてxの正方向へ平行移動する。
At this point, it is useful to recall from your study of algebra that if f(x) is some function, then f(x−d) is the same function translated in the positive x-direction by a distance d. The function f(x+d) is the same function translated in the negative x-direction by a distance d. We want to define a wave function that will give the y-position of each segment of the string for every position x along the string for every time t.
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ここで、代数で学んだ関数の移動を思い出すと役立つ。f(x)という関数があるとき、f(x−d)はそれをxの正方向へ距離dだけ平行移動したもの、f(x+d)は負方向へ距離dだけ移したものである。糸に沿ったすべての位置x、すべての時刻tについて、各部分のy座標を与える波動関数を定義したい。
Looking at the first snapshot in Figure 16.9, the y-position of the string between x=0 and x=λ can be modeled as a sine function. This wave propagates down the string one wavelength in one period, as seen in the last snapshot. The wave therefore moves with a constant wave speed of v=λ/T.
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図16.9の最初の図では、x=0からx=λの間の糸のy座標を、正弦関数で表せる。最後の図に見られるように、波は1周期で1波長だけ糸を進む。したがって、一定の波の速さv=λ/Tで移動する。
Recall that a sine function is a function of the angle θ, oscillating between +1 and −1, and repeating every 2π radians (Figure 16.10). However, the y-position of the medium, or the wave function, oscillates between +A and −A, and repeats every wavelength λ.
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正弦関数は角度θの関数で、+1と−1の間を振動し、2πラジアンごとに繰り返すことを思い出そう(図16.10)。一方、媒質のy座標を表す波動関数は、+Aと−Aの間を振動し、波長λごとに繰り返す。
縦軸sin θ、横軸θのグラフ。−1から+1まで変化する横波のような形で、θ=π/2、5π/2などに山があり、0、π、2πなどで横軸を横切る。

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Figure 16.10図 16.10
A sine function oscillates between +1 and −1 every 2π radians.
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正弦関数は、2πラジアンごとに+1と−1の間を振動する。
To construct our model of the wave using a periodic function, consider the ratio of the angle and the position,
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周期関数を使って波のモデルを作るため、角度と位置の比を考える。
θx=2πλ,θ=2πλx.
Using θ=2πλx and multiplying the sine function by the amplitude A, we can now model the y-position of the string as a function of the position x:
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θ=2πλxを使い、正弦関数に振幅Aを掛けると、糸のy座標を位置xの関数として表せる。
y(x)=Asin(2πλx).
The wave on the string travels in the positive x-direction with a constant velocity v, and moves a distance vt in a time t. The wave function can now be defined by
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糸の波はxの正方向へ一定の速度vで進み、時間tに距離vtだけ移動する。したがって、波動関数は次のように定義できる。
y(x,t)=Asin(2πλ(x−vt)).
It is often convenient to rewrite this wave function in a more compact form. Multiplying through by the ratio 2πλ leads to the equation
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この波動関数は、より簡潔な形に書き直すと便利なことが多い。比2πλを括弧の各項へ掛けると、次の式になる。
y(x,t)=Asin(2πλx−2πλvt).
The value 2πλ is defined as the wave number. The symbol for the wave number is k and has units of inverse meters, m−1:
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値2πλを波数と定義する。波数の記号はkで、単位はメートルの逆数m−1:である。
Recall from Oscillations that the angular frequency is defined as ω≡2πT. The second term of the wave function becomes
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「振動」で、角振動数をω≡2πTと定義したことを思い出そう。波動関数の第2項は次のようになる。
2πλvt=2πλ(λT)t=2πTt=ωt.
The wave function for a simple harmonic wave on a string reduces to
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糸の正弦波の波動関数は、次の形に簡約される。
y(x,t)=Asin(kx∓ωt),
where A is the amplitude, k=2πλ is the wave number, ω=2πT is the angular frequency, the minus sign is for waves moving in the positive x-direction, and the plus sign is for waves moving in the negative x-direction. The velocity of the wave is equal to
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Aは振幅、k=2πλは波数、ω=2πTは角振動数である。負の符号はxの正方向へ進む波、正の符号はxの負方向へ進む波に使う。波の速度は次の値に等しい。
Think back to our discussion of a mass on a spring, when the position of the mass was modeled as x(t)=Acos(ωt+ϕ). The angle ϕ is a phase shift, added to allow for the fact that the mass may have initial conditions other than x=+A and v=0. For similar reasons, the initial phase is added to the wave function. The wave function modeling a sinusoidal wave, allowing for an initial phase shift ϕ, is
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ばねにつながれた質点の位置をx(t)=Acos(ωt+ϕ)で表したことを思い出そう。角度ϕは位相のずれで、初期条件がx=+Aおよびv=0とは異なる場合も表せるように加えた。同じ理由で、波動関数にも初期位相を加える。初期位相ϕを含む正弦波の波動関数は、次のようになる。
The value
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次の量を、
is known as the phase of the wave, where ϕ is the initial phase of the wave function. Whether the temporal term ωt is negative or positive depends on the direction of the wave. First consider the minus sign for a wave with an initial phase equal to zero (ϕ=0). The phase of the wave would be (kx−ωt). Consider following a point on a wave, such as a crest. A crest will occur when sin(kx−ωt)=1.00, that is, when kx−ωt=nπ+π2, for any integral value of n. For instance, one particular crest occurs at kx−ωt=π2. As the wave moves, time increases and x must also increase to keep the phase equal to π2. Therefore, the minus sign is for a wave moving in the positive x-direction. Using the plus sign, kx+ωt=π2. As time increases, x must decrease to keep the phase equal to π2. The plus sign is used for waves moving in the negative x-direction. In summary, y(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ) models a wave moving in the positive x-direction and y(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ) models a wave moving in the negative x-direction.
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波の位相と呼ぶ。ϕは波動関数の初期位相である。時間の項ωtが負か正かは、波の進行方向で決まる。まず、初期位相がゼロ(ϕ=0)の波について負の符号を考える。この場合の位相は(kx−ωt)である。山など、波形上の一点を追ってみよう。山はsin(kx−ωt)=1.00、すなわち整数nに対してkx−ωt=nπ+π2のときに現れる。たとえば、ある山はkx−ωt=π2にある。波が進んで時間が増すと、位相をπ2に保つためにはxも増さなければならない。したがって、負の符号はxの正方向へ進む波に対応する。正の符号ならkx+ωt=π2であり、時間が増すにつれて、位相をπ2に保つにはxを減らす必要がある。よって、正の符号はxの負方向へ進む波に使う。まとめると、y(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ)は正方向へ、y(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ)は負方向へ進む波を表す。
Equation 16.4 is known as a simple harmonic wave function. A wave function is any function such that f(x,t)=f(x−vt). Later in this chapter, we will see that it is a solution to the linear wave equation. Note that y(x,t)=Acos(kx+ωt+ϕ′) works equally well because it corresponds to a different phase shift ϕ′=ϕ−π2.
英語のヒント
この式を正弦波の波動関数と呼ぶ。波動関数は、f(x,t)=f(x−vt)という形を持つ関数である。この章の後半で、線形波動方程式の解となることを確かめる。y(x,t)=Acos(kx+ωt+ϕ′)も、別の位相のずれϕ′=ϕ−π2に対応するので、同じように使える。
Example 16.3例題 16.3

Characteristics of a Traveling Wave on a String糸を伝わる進行波の性質

A transverse wave on a taut string is modeled with the wave function
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張った糸の横波を、次の波動関数で表す。
y(x,t)=Asin(kx−ωt)=0.2msin(6.28m−1x−1.57s−1t).
Find the amplitude, wavelength, period, and speed of the wave.
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波の振幅、波長、周期、速さを求めよ。

Strategy方針

All these characteristics of the wave can be found from the constants included in the equation or from simple combinations of these constants.
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これらの性質はすべて、式の定数、またはそれらの簡単な組み合わせから求められる。

Solution解答

  1. The amplitude, wave number, and angular frequency can be read directly from the wave equation:
    英語のヒント
    振幅、波数、角振動数を、波の式から直接読み取る。
    y(x,t)=Asin(kx−ωt)=0.2msin(6.28m−1x−1.57s−1t).
    (A=0.2m;k=6.28m−1;ω=1.57s−1)
  2. The wave number can be used to find the wavelength:
    英語のヒント
    波数を使って波長を求める。
    k=2πλ.λ=2πk=2π6.28m−1=1.0m.
  3. The period of the wave can be found using the angular frequency:
    英語のヒント
    角振動数を使って周期を求める。
    ω=2πT.T=2πω=2π1.57s−1=4s.
  4. The speed of the wave can be found using the wave number and the angular frequency. The direction of the wave can be determined by considering the sign of kx∓ωt: A negative sign suggests that the wave is moving in the positive x-direction:
    英語のヒント
    波数と角振動数から波の速さを求める。進行方向はkx∓ωtの符号から判断できる。負の符号なら、波はxの正方向へ進む。
    |v|=ωk=1.57s−16.28m−1=0.25m/s.

Significance考察

All of the characteristics of the wave are contained in the wave function. Note that the wave speed is the speed of the wave in the direction parallel to the motion of the wave. Plotting the height of the medium y versus the position x for two times t=0.00s and t=0.80s can provide a graphical visualization of the wave (Figure 16.11).
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波の性質はすべて波動関数に含まれる。波の速さは、波が進む方向に沿った速さであることに注意しよう。時刻t=0.00sとt=0.80sで、媒質の高さyを位置xに対して描くと、波を図として見られる(図16.11)。
yが−0.2 mから0.2 mまで変わる二つの横波。点線のt=0秒の波は、x=0.25 mと1.25 mに山がある。実線のt=0.8秒の波は、x=0.45 mと1.45 mに山がある。

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Figure 16.11図 16.11
A graph of height of the wave y as a function of position x for snapshots of the wave at two times. The dotted line represents the wave at time t=0.00s and the solid line represents the wave at t=0.80s. Since the wave velocity is constant, the distance the wave travels is the wave velocity times the time interval. The black dots indicate the points used to measure the displacement of the wave. The medium moves up and down, whereas the wave moves to the right.
英語のヒント
二つの時刻について、波の高さyを位置xの関数として描いたグラフ。点線は時刻t=0.00s、実線はt=0.80sの波を表す。波の速度が一定なので、進む距離は速度と時間間隔の積となる。黒点は、波の移動距離を測るために選んだ点である。媒質は上下に動き、波は右へ進む。
There is a second velocity to the motion. In this example, the wave is transverse, moving horizontally as the medium oscillates up and down perpendicular to the direction of motion. The graph in Figure 16.12 shows the motion of the medium at point x=0.60m as a function of time. Notice that the medium of the wave oscillates up and down between y=+0.20m and y=−0.20m every period of 4.0 seconds.
英語のヒント
この運動には、もう一つの速度がある。この例の波は横波で、波が水平に進む一方、媒質はそれに垂直な方向へ上下する。図16.12は、位置x=0.60mの媒質の運動を時間の関数として示す。媒質は4.0秒の周期ごとに、y=+0.20mとy=−0.20mの間を上下する。
グラフのyの値は−0.2 mから0.2 mまで変化し、横軸は時間(s)を示す。同じ状態が隣り合って現れる二点の水平間隔を、T=4秒と記す。

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Figure 16.12図 16.12
A graph of height of the wave y as a function of time t for the position x=0.6m. The medium oscillates between y=+0.20m and y=−0.20m every period. The period represented picks two convenient points in the oscillations to measure the period. The period can be measured between any two adjacent points with the same amplitude and the same velocity, (∂y/∂t). The velocity can be found by looking at the slope tangent to the point on a y-versus-t plot. Notice that at times t=3.00s and t=7.00s, the heights and the velocities are the same and the period of the oscillation is 4.00 s.
英語のヒント
位置x=0.6mでの波の高さyを、時間tの関数として示す。媒質は各周期でy=+0.20mとy=−0.20mの間を振動する。図では測りやすい二点を選んで周期を示している。周期は、高さと速度が同じになる隣り合う二点の間で測れ、(∂y/∂t)である。速度は、yとtのグラフ上の点に接する接線の傾きから求められる。時刻t=3.00sとt=7.00sでは高さも速度も同じで、周期は4.00 sとなる。