プリンキピア

第16章波動

Additional Problems追加問題

Exercises 117–143練習問題 117–143
Exercise 117問題 117
Ultrasound equipment used in the medical profession uses sound waves of a frequency above the range of human hearing. If the frequency of the sound produced by the ultrasound machine is f=30kHz, what is the wavelength of the ultrasound in bone, if the speed of sound in bone is v=3000m/s?
英語のヒント
医療で使う超音波装置は、人間の可聴範囲より高い振動数の音波を用いる。装置が出す音の振動数がf=30kHz、骨内の音速がv=3000m/sなら、骨内の超音波の波長はいくらか。
Solution解き方
λ=0.10m
Exercise 118問題 118
Shown below is the plot of a wave function that models a wave at time t=0.00s and t=2.00s. The dotted line is the wave function at time t=0.00s and the solid line is the function at time t=2.00s. Estimate the amplitude, wavelength, velocity, and period of the wave.
英語のヒント
下に、時刻t=0.00sとt=2.00sにおける波を表す波動関数のグラフを示す。点線は時刻t=0.00s、実線は時刻t=2.00sの波動関数である。振幅、波長、速度、周期を見積もれ。
yの値が−3 mから3 mまで変化する二つの横波のグラフ。点線の波にはt=0秒と記し、山はx≒0.25 mと1.25 mにある。実線の波にはt=2秒と記し、山はx≒0.85秒と1.85秒にある。

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Exercise 119問題 119
The speed of light in air is approximately v=3.00×108m/s and the speed of light in glass is v=2.00×108m/s. A red laser with a wavelength of λ=633.00nm shines light incident of the glass, and some of the red light is transmitted to the glass. The frequency of the light is the same for the air and the glass. (a) What is the frequency of the light? (b) What is the wavelength of the light in the glass?
英語のヒント
空気中の光速はおよそv=3.00×108m/s、ガラス中ではv=2.00×108m/sである。波長λ=633.00nmの赤色レーザー光をガラスに入射させると、一部がガラスへ透過する。光の振動数は空気中とガラス中で同じである。(a) 光の振動数はいくらか。(b) ガラス中の波長はいくらか。
Solution解き方
a. f=4.74×1014Hz; b. λ=422nm
Exercise 120問題 120
A radio station broadcasts radio waves at a frequency of 101.7 MHz. The radio waves move through the air at approximately the speed of light in a vacuum. What is the wavelength of the radio waves?
英語のヒント
ラジオ局が101.7 MHzの電波を放送する。電波は空気中を、ほぼ真空中の光速で進む。波長はいくらか。
Exercise 121問題 121
A sunbather stands waist deep in the ocean and observes that six crests of periodic surface waves pass each minute. The crests are 16.00 meters apart. What is the wavelength, frequency, period, and speed of the waves?
英語のヒント
日光浴をしている人が海に腰までつかって立ち、周期的な水面波の山が毎分6個通過するのを見た。山の間隔は16.00 mである。波長、振動数、周期、速さはいくらか。
Solution解き方
λ=16.00m,f=0.10Hz,T=10.00s,v=1.6m/s
Exercise 122問題 122
A tuning fork vibrates producing sound at a frequency of 512 Hz. The speed of sound of sound in air is v=343.00m/s if the air is at a temperature of 20.00°C. What is the wavelength of the sound?
英語のヒント
音叉が振動し、512 Hzの音を出す。気温20.00°Cの空気中の音速はv=343.00m/sである。音の波長はいくらか。
Exercise 123問題 123
A motorboat is traveling across a lake at a speed of vb=15.00m/s. The boat bounces up and down every 0.50 s as it travels in the same direction as a wave. It bounces up and down every 0.30 s as it travels in a direction opposite the direction of the waves. What is the speed and wavelength of the wave?
英語のヒント
モーターボートが湖を速さvb=15.00m/sで走る。波と同じ向きへ進むと0.50 sごとに上下し、波と反対向きへ進むと0.30 sごとに上下する。波の速さと波長はいくらか。
Solution解き方
λ=(vb+v)tb,v=3.75m/s,λ=3.00m
Exercise 124問題 124
Use the linear wave equation to show that the wave speed of a wave modeled with the wave function y(x,t)=0.20msin(3.00m−1x+6.00s−1t) is v=2.00m/s. What are the wavelength and the speed of the wave?
英語のヒント
線形波動方程式を使い、波動関数y(x,t)=0.20msin(3.00m−1x+6.00s−1t)で表される波の速さがv=2.00m/sであることを示せ。波長と速さはいくらか。
Exercise 125問題 125
Given the wave functions y1(x,t)=Asin(kx−ωt) and y2(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ) with ϕ≠π2, show that y1(x,t)+y2(x,t) is a solution to the linear wave equation with a wave velocity of v=ωk.
英語のヒント
波動関数y1(x,t)=Asin(kx−ωt)、y2(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ)が与えられ、ϕ≠π2とする。y1(x,t)+y2(x,t)が波の速度v=ωkの線形波動方程式の解であることを示せ。
Solution解き方
∂2(y1+y2)∂t2=−Aω2sin(kx−ωt)−Aω2sin(kx−ωt+ϕ)∂2(y1+y2)∂x2=−Ak2sin(kx−ωt)−Ak2sin(kx−ωt+ϕ)∂2y(x,t)∂x2=1v2∂2y(x,t)∂t2−Aω2sin(kx−ωt)−Aω2sin(kx−ωt+ϕ)=(1v2)(−Ak2sin(kx−ωt)−Ak2sin(kx−ωt+ϕ))v=ωk
Exercise 126問題 126
A transverse wave on a string is modeled with the wave function y(x,t)=0.10msin(0.15m−1x+1.50s−1t+0.20). (a) Find the wave velocity. (b) Find the position in the y-direction, the velocity perpendicular to the motion of the wave, and the acceleration perpendicular to the motion of the wave, of a small segment of the string centered at x=0.40m at time t=5.00s.
英語のヒント
糸の横波を波動関数y(x,t)=0.10msin(0.15m−1x+1.50s−1t+0.20)で表す。(a) 波の速度を求めよ。(b) x=0.40mを中心とする糸の小部分について、時刻t=5.00sのy方向の位置、波の運動に垂直な速度、および垂直な加速度を求めよ。
Exercise 127問題 127
A sinusoidal wave travels down a taut, horizontal string with a linear mass density of μ=0.060kg/m. The magnitude of maximum vertical acceleration of the wave is aymax=0.90m/s2 and the amplitude of the wave is 0.40 m. The string is under a tension of FT=600.00N. The wave moves in the negative x-direction. Write an equation to model the wave.
英語のヒント
線密度μ=0.060kg/mで水平に張った糸を正弦波が伝わる。鉛直加速度の最大の大きさはaymax=0.90m/s2、波の振幅は0.40 mである。糸の張力はFT=600.00Nで、波はx軸の負の向きへ進む。波を表す式を書け。
Solution解き方
y(x,t)=0.40sin(0.15x+1.5t)
Exercise 128問題 128
A transverse wave on a string (μ=0.0030kg/m) is described with the equation y(x,t)=0.30msin(2π4.00m(x−16.00mst)). What is the tension under which the string is held taut?
英語のヒント
糸(μ=0.0030kg/m)の横波を式y(x,t)=0.30msin(2π4.00m(x−16.00mst))で表す。糸を張っている張力はいくらか。
Exercise 129問題 129
A transverse wave on a horizontal string (μ=0.0060kg/m) is described with the equation y(x,t)=0.30msin(2π4.00m(x−vwt)). The string is under a tension of 300.00 N. What are the wave speed, wave number, and angular frequency of the wave?
英語のヒント
水平な糸(μ=0.0060kg/m)の横波を式y(x,t)=0.30msin(2π4.00m(x−vwt))で表す。糸の張力は300.00 Nである。波の速さ、波数、角振動数はいくらか。
Solution解き方
v=223.61m/s,k=1.57m−1,ω=351.07s−1
Exercise 130問題 130
A student holds an inexpensive sonic range finder and uses the range finder to find the distance to the wall. The sonic range finder emits a sound wave. The sound wave reflects off the wall and returns to the range finder. The round trip takes 0.012 s. The range finder was calibrated for use at room temperature T=20°C, but the temperature in the room is actually T=23°C. Assuming that the timing mechanism is perfect, what percentage of error can the student expect due to the calibration?
英語のヒント
学生が安価な音波測距器を使って、壁までの距離を測る。測距器は音波を出し、音波は壁で反射して戻ってくる。往復に0.012 sかかる。測距器は室温T=20°Cで使うように校正されているが、実際の室温はT=23°Cである。計時機構は完全に正確だとすると、この校正によって何%の誤差が見込まれるか。
Exercise 131問題 131
A wave on a string is driven by a string vibrator, which oscillates at a frequency of 100.00 Hz and an amplitude of 1.00 cm. The string vibrator operates at a voltage of 12.00 V and a current of 0.20 A. The power consumed by the string vibrator is P=IV. Assume that the string vibrator is 90% efficient at converting electrical energy into the energy associated with the vibrations of the string. The string is 3.00 m long, and is under a tension of 60.00 N. What is the linear mass density of the string?
英語のヒント
弦振動器が振動数100.00 Hz、振幅1.00 cmで振動し、糸に波を作る。振動器は電圧12.00 V、電流0.20 Aで動作し、消費電力はP=IVである。電気エネルギーを糸の振動のエネルギーへ変換する効率は90%とする。糸の長さは3.00 m、張力は60.00 Nである。糸の線密度はいくらか。
Solution解き方
P=12A2(2πf)2μFTμ=2.00×10−4kg/m
Exercise 132問題 132
A traveling wave on a string is modeled by the wave equation y(x,t)=3.00cmsin(8.00m−1x+100.00s−1t). The string has a linear mass density of μ=0.00800kg/m. What is the average power transferred by the wave on the string?
英語のヒント
糸の進行波を波動方程式y(x,t)=3.00cmsin(8.00m−1x+100.00s−1t)で表す。糸の線密度はμ=0.00800kg/mである。この波が運ぶ平均の仕事率はいくらか。
Exercise 133問題 133
A transverse wave on a string has a wavelength of 5.0 m, a period of 0.02 s, and an amplitude of 1.5 cm. The average power transferred by the wave is 5.00 W. What is the tension in the string?
英語のヒント
糸の横波の波長は5.0 m、周期は0.02 s、振幅は1.5 cmである。波が運ぶ平均の仕事率は5.00 Wである。糸の張力はいくらか。
Solution解き方
P=12μA2ω2λT,μ=0.0018kg/m
FT=v2μ=(λT)2μ=110N
Exercise 134問題 134
(a) What is the intensity of a laser beam used to burn away cancerous tissue that, when 90.0% absorbed, puts 500.0 J of energy into a circular spot 2.00 mm in diameter in 4.00 s? (b) Discuss how this intensity compares to the average intensity of sunlight (about 1 kW/m2) and the implications that would have if the laser beam entered your eye. Note how your answer depends on the time duration of the exposure.
英語のヒント
(a) がん組織を焼き取るレーザー光が90.0%吸収され、直径2.00 mmの円形の領域へ4.00 sで500.0 Jのエネルギーを与える。その強度はいくらか。(b) この強度を日光の平均強度(約1 kW/m2)と比較し、レーザー光が目に入った場合にどのような意味を持つか論じよ。答えが照射時間にどう依存するかに注意せよ。
Exercise 135問題 135
Consider two periodic wave functions, y1(x,t)=Asin(kx−ωt) and y2(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ). (a) For what values of ϕ will the wave that results from a superposition of the wave functions have an amplitude of 2A? (b) For what values of ϕ will the wave that results from a superposition of the wave functions have an amplitude of zero?
英語のヒント
二つの周期的な波動関数y1(x,t)=Asin(kx−ωt)、y2(x,t)=Asin(kx−ωt+ϕ)を考える。(a) ϕがどの値のとき、その重ね合わせによる波の振幅は2Aになるか。(b) ϕがどの値のとき、合成振幅はゼロになるか。
Solution解き方
a. AR=2Acos(ϕ2),cos(ϕ2)=1,ϕ=0,2π,4π,...; b. AR=2Acos(ϕ2),cos(ϕ2)=0,ϕ=0,π,3π,5π...
a. AR=2Acos(ϕ2),cos(ϕ2)=1,ϕ=0,2π,4π b. AR=2Acos(ϕ2),cos(ϕ2)=0,ϕ=0,π,3π,5π
Exercise 136問題 136
Consider two periodic wave functions, y1(x,t)=Asin(kx−ωt) and y2(x,t)=Acos(kx−ωt+ϕ). (a) For what values of ϕ will the wave that results from a superposition of the wave functions have an amplitude of 2A? (b) For what values of ϕ will the wave that results from a superposition of the wave functions have an amplitude of zero?
英語のヒント
二つの周期的な波動関数y1(x,t)=Asin(kx−ωt)、y2(x,t)=Acos(kx−ωt+ϕ)を考える。(a) ϕがどの値のとき、その重ね合わせによる波の振幅は2Aになるか。(b) ϕがどの値のとき、合成振幅はゼロになるか。
Exercise 137問題 137
A trough with dimensions 10.00 meters by 0.10 meters by 0.10 meters is partially filled with water. Small-amplitude surface water waves are produced from both ends of the trough by paddles oscillating in simple harmonic motion. The height of the water waves are modeled with two sinusoidal wave equations, y1(x,t)=0.3msin(4m−1x−3s−1t) and y2(x,t)=0.3mcos(4m−1x+3s−1t−π2). What is the wave function of the resulting wave after the waves reach one another and before they reach the end of the trough (i.e., assume that there are only two waves in the trough and ignore reflections)? Use a spreadsheet to check your results. (Hint: Use the trig identities sin(u±v)=sinucosv±cosusinv and cos(u±v)=cosucosv∓sinusinv)
英語のヒント
10.00 m × 0.10 m × 0.10 mの細長い水槽へ水を一部まで入れる。両端のパドルを単振動させ、振幅の小さい水面波を作る。波の高さは二つの正弦波の式y1(x,t)=0.3msin(4m−1x−3s−1t)、y2(x,t)=0.3mcos(4m−1x+3s−1t−π2)で表される。波が互いに出会った後、水槽の端へ届く前の合成波の波動関数は何か。つまり、水槽には二つの波だけがあるとし、反射を無視する。表計算ソフトで結果を確かめよ。(ヒント:三角関数の恒等式sin(u±v)=sinucosv±cosusinvとcos(u±v)=cosucosv∓sinusinv)を使う。)
Solution解き方
yR(x,t)=0.6msin(4m−1x)cos(3s−1t)
Exercise 138問題 138
A seismograph records the S- and P-waves from an earthquake 20.00 s apart. If they traveled the same path at constant wave speeds of vS=4.00km/s and vP=7.50km/s, how far away is the epicenter of the earthquake?
英語のヒント
地震計が、ある地震のS波とP波を20.00 sの間隔で記録した。同じ経路を、それぞれ一定の速さvS=4.00km/s、vP=7.50km/sで伝わったとすると、震央はどれだけ離れているか。
Exercise 139問題 139
Consider what is shown below. A 20.00-kg mass rests on a frictionless ramp inclined at 45°. A string with a linear mass density of μ=0.025kg/m is attached to the 20.00-kg mass. The string passes over a frictionless pulley of negligible mass and is attached to a hanging mass (m). The system is in static equilibrium. A wave is induced on the string and travels up the ramp. (a) What is the mass of the hanging mass (m)? (b) At what wave speed does the wave travel up the string?
英語のヒント
下図を考える。傾き45°の摩擦のない斜面上に、20.00 kgの物体が静止している。線密度μ=0.025kg/mの糸をこの物体につなぎ、摩擦がなく質量を無視できる滑車を越えて、質量mのおもりへつなぐ。系は静的につり合っている。糸に波を作り、斜面を上る向きへ伝える。(a) つるしたおもりの質量mはいくらか。(b) 波は糸をどの速さで上っていくか。
右上がり45度の斜面に、20 kgの物体が置かれる。物体につないだ糸を斜面上端の滑車にかけ、反対側へ質量mのおもりをつるす。糸には波が描かれている。

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Solution解き方
a. (1)FT−20.00kg(9.80m/s2)cos45°=0(2)m(9.80m/s2)−FT=0m=14.14kg; b. FT=138.57Nv=74.45m/s
a. (1)FT−20.00kg(9.80m/s2)cos45°=0(2)m(9.80m/s2)−FT=0m=14.14kg b. FT=138.57Nv=74.45m/s
Exercise 140問題 140
Consider the superposition of three wave functions y(x,t)=3.00cmsin(2m−1x−3s−1t), y(x,t)=3.00cmsin(6m−1x+3s−1t), and y(x,t)=3.00cmsin(2m−1x−4s−1t). What is the height of the resulting wave at position x=3.00m at time t=10.0s?
英語のヒント
三つの波動関数y(x,t)=3.00cmsin(2m−1x−3s−1t)、y(x,t)=3.00cmsin(6m−1x+3s−1t)、y(x,t)=3.00cmsin(2m−1x−4s−1t)の重ね合わせを考える。時刻t=10.0s、位置x=3.00mにおける合成波の高さはいくらか。
Exercise 141問題 141
A string has a mass of 150 g and a length of 3.4 m. One end of the string is fixed to a lab stand and the other is attached to a spring with a spring constant of ks=100N/m. The free end of the spring is attached to another lab pole. The tension in the string is maintained by the spring. The lab poles are separated by a distance that stretches the spring 2.00 cm. The string is plucked and a pulse travels along the string. What is the propagation speed of the pulse?
英語のヒント
質量150 g、長さ3.4 mの糸の一端を実験用スタンドへ固定し、他端をばね定数ks=100N/mのばねへつなぐ。ばねのもう一端を別の実験用支柱へ固定し、ばねによって糸の張力を保つ。支柱間の距離は、ばねが2.00 cm伸びるようにする。糸をはじくとパルスが伝わる。その伝播の速さはいくらか。
Solution解き方
FT=2N,v=6.73m/s
Exercise 142問題 142
A standing wave is produced on a string under a tension of 70.0 N by two sinusoidal transverse waves that are identical, but moving in opposite directions. The string is fixed at x=0.00m and x=10.00m. Nodes appear at x=0.00m, 2.00 m, 4.00 m, 6.00 m, 8.00 m, and 10.00 m. The amplitude of the standing wave is 3.00 cm. It takes 0.10 s for the antinodes to make one complete oscillation. (a) What are the wave functions of the two sine waves that produce the standing wave? (b) What are the maximum velocity and acceleration of the string, perpendicular to the direction of motion of the transverse waves, at the antinodes?
英語のヒント
張力70.0 Nの糸を、同一だが反対向きへ進む二つの正弦横波によって定常波にする。糸はx=0.00mとx=10.00mで固定され、節はx=0.00m、2.00 m、4.00 m、6.00 m、8.00 m、10.00 mにできる。定常波の振幅は3.00 cmで、腹が1回振動するのに0.10 sかかる。(a) この定常波を作る二つの正弦波の波動関数は何か。(b) 腹における、横波の進行方向に垂直な糸の最大速度と最大加速度はいくらか。
Exercise 143問題 143
A string with a length of 4 m is held under a constant tension. The string has a linear mass density of μ=0.006kg/m. Two resonant frequencies of the string are 400 Hz and 480 Hz. There are no resonant frequencies between the two frequencies. (a) What are the wavelengths of the two resonant modes? (b) What is the tension in the string?
英語のヒント
長さ4 m、線密度μ=0.006kg/mの糸を一定の張力で張る。共振振動数の二つは400 Hzと480 Hzであり、その間に他の共振振動数はない。(a) この二つの共振モードの波長はいくらか。(b) 糸の張力はいくらか。
Solution解き方
a. fn=nv2L,v=2Lfn+1n+1,n+1n=2Lfn+12Lfn,1+1n=1.2,n=5λn=2nL,λ5=1.6m,λ6=1.33m; b. FT=245.76N
a. fn=nv2L,v=2Lfn+1n+1,n+1n=2Lfn+12Lfn,1+1n=1.2,n=5λn=2nL,λ5=1.6m,λ6=1.33m b. FT=245.76N