プリンキピア

第16章波動

Problems問題

Exercises 85–96練習問題 85–96
Exercise 85問題 85
Consider two sinusoidal waves traveling along a string, modeled as y1(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t) and y2(x,t)=0.6msin(8m−1x−6s−1t). What is the height of the resultant wave formed by the interference of the two waves at the position x=0.5m at time t=0.2s?
英語のヒント
糸を伝わる二つの正弦波y1(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t)とy2(x,t)=0.6msin(8m−1x−6s−1t)を考える。時刻t=0.2s、位置x=0.5mにおける、二つの波の干渉による合成波の高さはいくらか。
Exercise 86問題 86
Consider two sinusoidal sine waves traveling along a string, modeled as y1(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t+π3) and y2(x,t)=0.6msin(8m−1x−6s−1t). What is the height of the resultant wave formed by the interference of the two waves at the position x=1.0m at time t=3.0s?
英語のヒント
糸を伝わる二つの正弦波y1(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t+π3)とy2(x,t)=0.6msin(8m−1x−6s−1t)を考える。時刻t=3.0s、位置x=1.0mにおける、二つの波の干渉による合成波の高さはいくらか。
Solution解き方
y(x,t)=0.63m
Exercise 87問題 87
Consider two sinusoidal sine waves traveling along a string, modeled as y1(x,t)=0.3msin(4m−1x−3s−1t) and y2(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t). What is the wave function of the resulting wave? [Hint: Use the trig identity sin(u±v)=sinucosv±cosusinv
英語のヒント
糸を伝わる二つの正弦波y1(x,t)=0.3msin(4m−1x−3s−1t)とy2(x,t)=0.3msin(4m−1x+3s−1t)を考える。合成波の波動関数は何か。[ヒント:三角関数の恒等式sin(u±v)=sinucosv±cosusinvを使う。]
Exercise 88問題 88
Two sinusoidal waves are moving through a medium in the same direction, both having amplitudes of 3.00 cm, a wavelength of 5.20 m, and a period of 6.52 s, but one has a phase shift of an angle ϕ. What is the phase shift if the resultant wave has an amplitude of 5.00 cm? [Hint: Use the trig identity sinu+sinv=2sin(u+v2)cos(u−v2)
英語のヒント
二つの正弦波が同じ媒質を同じ向きへ進む。いずれも振幅3.00 cm、波長5.20 m、周期6.52 sだが、一方には角度ϕの位相のずれがある。合成波の振幅が5.00 cmのとき、位相のずれはいくらか。[ヒント:三角関数の恒等式sinu+sinv=2sin(u+v2)cos(u−v2)を使う。]
Solution解き方
AR=2Acos(ϕ2),ϕ=1.17rad
Exercise 89問題 89
Two sinusoidal waves are moving through a medium in the positive x-direction, both having amplitudes of 6.00 cm, a wavelength of 4.3 m, and a period of 6.00 s, but one has a phase shift of an angle ϕ=0.50rad. What is the height of the resultant wave at a time t=3.15s and a position x=0.45m?
英語のヒント
二つの正弦波が媒質をx軸の正の向きへ進む。いずれも振幅6.00 cm、波長4.3 m、周期6.00 sだが、一方には角度ϕ=0.50radの位相のずれがある。時刻t=3.15s、位置x=0.45mにおける合成波の高さはいくらか。
Exercise 90問題 90
Two sinusoidal waves are moving through a medium in the positive x-direction, both having amplitudes of 7.00 cm, a wave number of k=3.00m−1, an angular frequency of ω=2.50s−1, and a period of 6.00 s, but one has a phase shift of an angle ϕ=π12rad. What is the height of the resultant wave at a time t=2.00s and a position x=0.53m?
英語のヒント
二つの正弦波が媒質をx軸の正の向きへ進む。いずれも振幅7.00 cm、波数k=3.00m−1、角振動数ω=2.50s−1、周期6.00 sだが、一方には角度ϕ=π12radの位相のずれがある。時刻t=2.00s、位置x=0.53mにおける合成波の高さはいくらか。
Solution解き方
yR=1.90cm
Exercise 91問題 91
Consider two waves y1(x,t) and y2(x,t) that are identical except for a phase shift propagating in the same medium. (a)What is the phase shift, in radians, if the amplitude of the resulting wave is 1.75 times the amplitude of the individual waves? (b) What is the phase shift in degrees? (c) What is the phase shift as a percentage of the individual wavelength?
英語のヒント
同じ媒質を伝わる、位相のずれ以外は同一の二つの波y1(x,t)、y2(x,t)を考える。(a) 合成振幅が個々の振幅の1.75倍なら、位相のずれは何ラジアンか。(b) 度で表すといくらか。(c) 各波の波長に対する百分率ではいくらか。
Exercise 92問題 92
Two sinusoidal waves, which are identical except for a phase shift, travel along in the same direction. The wave equation of the resultant wave is yR(x,t)=0.70msin(3.00m−1x−6.28s−1t+
π/16rad). What are the angular frequency, wave number, amplitude, and phase shift of the individual waves?
英語のヒント
位相のずれ以外は同一の二つの正弦波が同じ向きへ進む。合成波の波動方程式はyR(x,t)=0.70msin(3.00m−1x−6.28s−1t+π/16rad)である。個々の波の角振動数、波数、振幅、位相のずれはいくらか。
Solution解き方
ω=6.28s−1,k=3.00m−1,ϕ=π8rad,AR=2Acos(ϕ2),A=0.37m
Exercise 93問題 93
Two sinusoidal waves, which are identical except for a phase shift, travel along in the same direction. The wave equation of the resultant wave is yR(x,t)=0.35cmsin(6.28m−1x−1.57s−1t+π4). What are the period, wavelength, amplitude, and phase shift of the individual waves?
英語のヒント
位相のずれ以外は同一の二つの正弦波が同じ向きへ進む。合成波の波動方程式はyR(x,t)=0.35cmsin(6.28m−1x−1.57s−1t+π4)である。個々の波の周期、波長、振幅、位相のずれはいくらか。
Exercise 94問題 94
Consider two wave functions, y1(x,t)=4.00msin(πm−1x−πs−1t) and y2(x,t)=4.00msin(πm−1x−πs−1t+π3). (a) Using a spreadsheet, plot the two wave functions and the wave that results from the superposition of the two wave functions as a function of position (0.00≤x≤6.00m) for the time t=0.00s. (b) What are the wavelength and amplitude of the two original waves? (c) What are the wavelength and amplitude of the resulting wave?
英語のヒント
二つの波動関数y1(x,t)=4.00msin(πm−1x−πs−1t)、y2(x,t)=4.00msin(πm−1x−πs−1t+π3)を考える。(a) 表計算ソフトを使い、時刻t=0.00sについて、二つの波動関数とその重ね合わせによる波を、位置(0.00≤x≤6.00m)の関数として描け。(b) 元の二つの波の波長と振幅はいくらか。(c) 合成波の波長と振幅はいくらか。
Solution解き方
a.
同じグラフに、y1と記した青い波、y2と記した赤い波、yRと記した黒い波を示す。赤と青は波長と振幅が等しく、位相がずれている。黒は他の二つと波長が等しく、振幅が大きい。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典

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b. λ=2.0m,A=4m; c. λR=2.0m,AR=6.93m
b. λ=2.0m,A=4m c. λR=2.0m,AR=6.93m
Exercise 95問題 95
Consider two wave functions, y2(x,t)=2.00msin(π2m−1x−π3s−1t) and y2(x,t)=2.00msin(π2m−1x−π3s−1t+π6). (a) Verify that yR=2Acos(ϕ2)sin(kx−ωt+ϕ2) is the solution for the wave that results from a superposition of the two waves. Make a column for x, y1, y2, y1+y2, and yR=2Acos(ϕ2)sin(kx−ωt+ϕ2). Plot four waves as a function of position where the range of x is from 0 to 12 m.
英語のヒント
二つの波動関数y2(x,t)=2.00msin(π2m−1x−π3s−1t)、y2(x,t)=2.00msin(π2m−1x−π3s−1t+π6)を考える。(a) yR=2Acos(ϕ2)sin(kx−ωt+ϕ2)が二つの波を重ね合わせた波の解であることを確かめよ。x、y1、y2、y1+y2、yR=2Acos(ϕ2)sin(kx−ωt+ϕ2)の列を作れ。xの範囲を0〜12 mとして、4本の波を位置の関数として描け。
Exercise 96問題 96
Consider two wave functions that differ only by a phase shift, y1(x,t)=Acos(kx−ωt) and y2(x,t)=Acos(kx−ωt+ϕ). Use the trigonometric identities cosu+cosv=2cos(u−v2)cos(u+v2) and cos(−θ)=cos(θ) to find a wave equation for the wave resulting from the superposition of the two waves. Does the resulting wave function come as a surprise to you?
英語のヒント
位相のずれだけが異なる二つの波動関数y1(x,t)=Acos(kx−ωt)、y2(x,t)=Acos(kx−ωt+ϕ)を考える。三角関数の恒等式cosu+cosv=2cos(u−v2)cos(u+v2)とcos(−θ)=cos(θ)を用いて、二つの波の重ね合わせによる波動方程式を求めよ。得られた波動関数は意外なものだったか。
Solution解き方
yR(x,t)=2Acos(ϕ2)cos(kx−ωt+ϕ2); The result is not surprising because cos(θ)=sin(θ+π2).
英語のヒント
yR(x,t)=2Acos(ϕ2)cos(kx−ωt+ϕ2);。cos(θ)=sin(θ+π2)なので、この結果は意外ではない。
constructive interference
強め合う干渉
when two waves arrive at the same point exactly in phase; that is, the crests of the two waves are precisely aligned, as are the troughs
英語のヒント
二つの波が同じ点へまったく同位相で届くこと。二つの波の山どうし、谷どうしが正確にそろう。
destructive interference
弱め合う干渉
when two identical waves arrive at the same point exactly out of phase; that is, precisely aligned crest to trough
英語のヒント
同一の二つの波が同じ点へちょうど逆位相で届くこと。一方の山と他方の谷が正確にそろう。
fixed boundary condition
固定端の条件
when the medium at a boundary is fixed in place so it cannot move
英語のヒント
境界の媒質がその場に固定され、動けない条件
free boundary condition
自由端の条件
exists when the medium at the boundary is free to move
英語のヒント
境界の媒質が自由に動けるときの条件
interference
干渉
overlap of two or more waves at the same point and time
英語のヒント
同じ時刻の同じ点における、二つ以上の波の重なり
superposition
重ね合わせ
phenomenon that occurs when two or more waves arrive at the same point
英語のヒント
二つ以上の波が同じ点に届くときに起こる現象