プリンキピア

第16章波動

Challenge Problems発展問題

Exercises 144–149練習問題 144–149
Exercise 144問題 144
A copper wire has a radius of 200μm and a length of 5.0 m. The wire is placed under a tension of 3000 N and the wire stretches by a small amount. The wire is plucked and a pulse travels down the wire. What is the propagation speed of the pulse? (Assume the temperature does not change: (ρ=8.96gcm3,Y=1.1×1011Nm).)
英語のヒント
半径200μm、長さ5.0 mの銅線に3000 Nの張力をかけると、銅線は少し伸びる。銅線をはじくとパルスが伝わる。その伝播の速さはいくらか。(温度は変わらないとする。(ρ=8.96gcm3,Y=1.1×1011Nm).))
Exercise 145問題 145
A pulse moving along the x axis can be modeled as the wave function y(x,t)=4.00me−(x+(2.00m/s)t1.00m)2. (a)What are the direction and propagation speed of the pulse? (b) How far has the wave moved in 3.00 s? (c) Plot the pulse using a spreadsheet at time t=0.00s and t=3.00s to verify your answer in part (b).
英語のヒント
x軸に沿って進むパルスを波動関数y(x,t)=4.00me−(x+(2.00m/s)t1.00m)2で表す。(a) パルスの進行方向と伝播の速さは何か。(b) 3.00 sでどれだけ移動するか。(c) 表計算ソフトで時刻t=0.00sとt=3.00sのパルスを描き、(b)の答えを確かめよ。
Solution解き方
a. Moves in the negative x direction at a propagation speed of v=2.00m/s. b. Δx=−6.00m; c.
英語のヒント
a. x軸の負の向きへ、速さv=2.00m/sで伝播する。b. Δx=−6.00m; c.
「波動関数対時間」と記したグラフに、同一の二つのパルスを示す。赤はy(x,3)と記し、x=−6 mで頂点となる。青はy(x,0)と記し、x=0 mで頂点となる。二つの頂点の間をΔx=−6 mと記す。

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

Exercise 146問題 146
A string with a linear mass density of μ=0.0085kg/m is fixed at both ends. A 5.0-kg mass is hung from the string, as shown below. If a pulse is sent along section A, what is the wave speed in section A and the wave speed in section B?
英語のヒント
線密度μ=0.0085kg/mの糸の両端を固定し、下図のように5.0 kgのおもりをつるす。区間Aに沿ってパルスを送るとき、区間Aと区間Bの波の速さはいくらか。
両端で支えた糸は左の支持点が右より低く、中央に5 kgのおもりをつるす。左の支持点から中央までの区間Aは水平である。右の支持点から中央までの区間Bは水平に対して35度をなす。中央から左の支持点へ向かう矢印をF_A、右へ向かう矢印をF_Bと記す。

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Exercise 147問題 147
Consider two wave functions y1(x,t)=Asin(kx−ωt) and y2(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ). What is the wave function resulting from the interference of the two wave? (Hint: sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ and ϕ=ϕ2+ϕ2.)
英語のヒント
二つの波動関数y1(x,t)=Asin(kx−ωt)、y2(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ)を考える。干渉による合成波の波動関数は何か。(ヒント:sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβおよびϕ=ϕ2+ϕ2。)
Solution解き方
sin(kx−ωt)=sin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2)−cos(kx+ϕ2)sin(ωt+ϕ2)sin(kx−ωt+ϕ)=sin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2)+cos(kx+ϕ2)sin(ωt+ϕ2)sin(kx−ωt)+sin(kx+ωt+ϕ)=2sin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2)yR=2Asin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2)
Exercise 148問題 148
The wave function that models a standing wave is given as yR(x,t)=6.00cmsin(3.00m−1x+1.20rad) cos(6.00s−1t+1.20rad). What are two wave functions that interfere to form this wave function? Plot the two wave functions and the sum of the sum of the two wave functions at t=1.00s to verify your answer.
英語のヒント
定常波を表す波動関数はyR(x,t)=6.00cmsin(3.00m−1x+1.20rad)cos(6.00s−1t+1.20rad)である。干渉によってこの波動関数を作る二つの波動関数は何か。t=1.00sにおける二つの波動関数とその和を描き、答えを確かめよ。
Exercise 149問題 149
Consider two wave functions y1(x,t)=Asin(kx−ωt) and y2(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ). The resultant wave form when you add the two functions is yR=2Asin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2). Consider the case where A=0.03m−1, k=1.26m−1, ω=πs−1, and ϕ=π10. (a) Where are the first three nodes of the standing wave function starting at zero and moving in the positive x direction? (b) Using a spreadsheet, plot the two wave functions and the resulting function at time t=1.00s to verify your answer.
英語のヒント
二つの波動関数y1(x,t)=Asin(kx−ωt)、y2(x,t)=Asin(kx+ωt+ϕ)を考える。和を取った合成波はyR=2Asin(kx+ϕ2)cos(ωt+ϕ2)である。A=0.03m−1、k=1.26m−1、ω=πs−1、ϕ=π10の場合を考える。(a) ゼロからx軸の正の向きへ進んだとき、定常波の最初の三つの節はどこにあるか。(b) 表計算ソフトで時刻t=1.00sの二つの波動関数と合成関数を描き、答えを確かめよ。
Solution解き方
sin(kx+ϕ2)=0,kx+ϕ2=0,π,2π,1.26m−1x+π20=π,2π,3πx=2.37m,4.86m,7.35m;
青のy1、赤のy2、黒のy1+y2を示すグラフ。3本とも波長は5 mである。y1とy2は振幅が等しく、位相が少しずれている。黒の振幅は、他の二つのほぼ2倍である。

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

antinode
腹
location of maximum amplitude in standing waves
英語のヒント
定常波で振幅が最大となる位置
fundamental frequency
基本振動数
lowest frequency that will produce a standing wave
英語のヒント
定常波を作る最も低い振動数
node
節
point where the string does not move; more generally, nodes are where the wave disturbance is zero in a standing wave
英語のヒント
糸が動かない点。より一般には、定常波において波による乱れがゼロになる点。
normal mode
固有モード
possible standing wave pattern for a standing wave on a string
英語のヒント
糸の定常波が取り得る振動の形
overtone
上音
frequency that produces standing waves and is higher than the fundamental frequency
英語のヒント
定常波を作る、基本振動数より高い振動数
standing wave
定常波
wave that can bounce back and forth through a particular region, effectively becoming stationary
英語のヒント
ある領域を往復して、実質的に静止した状態になる波