波動公式 – 定義、方程式、特性、性質、種類、症状、質問例

November 13, 2023
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現代ではテクノロジーが重要になってきています。テクノロジーにより、電話などを使用することで作業が容易になり、実際の距離を数千マイルも短縮できます。テクノロジーの存在を支える重要なものの 1 つは、媒体としてのエネルギーや波などの手段です。

多くの電子製品は波の特性を利用しています。たとえば、伝播する波の性質が挙げられます。人間は真空を利用して電球を作り、電球の中の空間は空間になります空の。

私たちの周りには波を利用したテクノロジーを使用した電子機器がたくさんありますが、私たちのほとんどはそれらを完全に知り、理解していません。次の章では、日常生活における波と音波の使用についてより具体的に説明します。

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波を理解する

波は伝播する振動であり、その伝播において波はエネルギーを運びます。言い換えれば、波は伝播する振動であり、振動自体が波の発生源です。つまり、波は伝播する振動であり、動く波は伝播します エネルギー （力）。波は、媒体内を伝播する振動の一種として解釈することもできます。

波の場合、伝播するのは波であり、中間媒体ではありません。 1 つの波の長さは、谷と山の間の距離 (横波) を計算するか、1 つの密度と 1 つの隙間の間の距離 (縦波) を計算することでわかります。波の伝播速度は、1秒間に波が進む距離です。

波動方程式

情報：

A = 振幅

k = 波数（波動定数）

ω = 角速度

y = 波の偏り (m)

v = 波の伝播速度 (m/s)

a = 波の加速度 (m/s²)

波の公式

周波数、周期、波長の決定

波の屈折

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波の特性

以下は、波のいくつかの特性で構成されます。

反射または鏡映可能
この波の反射現象は、幾何光学を勉強するときによく知られています。クラス x では、このイベントに Snellius による反射の法則が適用されます。
屈折できる（屈折）
波が 2 つの異なる媒体を通過するときに屈折が発生することがあります。
屈曲可能 (回折)
波が狭い隙間を通過するときに回折（曲がり）が発生します。
合体・合体可能（干渉）
波の干渉は、2 つの波が集まって (結合して) 最大および最小の干渉パターンが生成されるときに発生します。
偏光可能（偏光）
分極とは、波の振動の方向の一部または全部が吸収される現象です。この分極現象は横波でのみ発生します。

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分解可能（分散）
空はなぜ青いの?? これは太陽光が散乱現象を起こすためです。あなたが見ている太陽光は白色ですが、実際には赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫の光線で構成されています。これは、白いホワイトボードを見ているときに空が青く見えるときに起こります。これは、すべての色の色素が私たちの目に反射されていることを意味します。

波の性質

以下に波のいくつかのプロパティを示します。

1. 音波の性質

音波が伝播するには媒体が必要です
音波は機械的な波であるため、音が伝播するには媒体が必要です。これは、2人の宇宙飛行士が地球から遠く離れており、飛行機内の大気が空である場合に証明できます。空中では、宇宙飛行士は直接会話することはできませんが、次のようなコミュニケーションツールを使用します。電話。たとえ二人の宇宙飛行士が同じ飛行機に乗っていたとしても。粒子を振動させる媒体の能力はさまざまで、水など、音を減衰させる媒体もあります。
音波は反射（反射）を経験します
波の性質の 1 つは反射することであるため、音波もこれを経験することができ、入射角 = 反射角という波の反射の法則が音波にも当てはまります。密閉空間内での音の反射がエコーを引き起こす可能性があることが証明されています。つまり、反射音の一部が原音と重なり、原音が不鮮明に聞こえることになる。映画館、スタジオ、ラジオ、テレビ、コンサートホールでの反響を避けるため音楽を聴くと、壁は通常ウール、綿、ガラス、ゴムで作られた防音材で覆われます。または鉄。
音波は屈折を経験します (屈折)
波の特性の 1 つは、屈折を受けることです。日常生活における屈折現象。たとえば、夜間の雷の音は日中よりも大きくなります。これは、日中、上層の空気が下層よりも冷たくなるためです。低温時の音速は高温時よりも小さいため、空気層の音速は上層は下層よりも小さいため、上層媒体の密度が層媒体よりも高くなります。より低い。夜にはその逆が起こります。したがって、日中、雷の音は上層の空気層から下層の空気層に伝播します。夜間、入ってくる音が垂直下方向に進む場合、音の伝播方向は法線に近い方向に偏ります。日中は音の伝播方向が法線から屈折することが最善です。波の屈折の法則に従って、密度の低い媒質から密度の高い媒質に伝わる波は法線に近づくように屈折し、その逆も同様です。
音波は曲げ（回折）を経験します
空気中の音波の波長はセンチメートルから数メートルの範囲にあるため、音波は非常に簡単に回折を受けます。回折は波がギャップを通過するときの曲がりであり、ギャップのサイズは波長のオーダーです。ご存知のとおり、波長が長いほど回折されやすくなります。回折現象は、たとえば、道路の曲がり角の端にある高い建物に遮られて車が見えなくても、曲がり角で車のエンジン音が聞こえる場合に発生します。
音波体験の組み合わせ（干渉）
音波は、波の結合または干渉の症状を経験します。これらは 2 つに分けられます。つまり、建設的な干渉または音の強化と、破壊的な干渉または音の弱化です。たとえば、同じまたはほぼ同じ周波数と振幅を持つ 2 つのスピーカーの間にいると、大きな音と弱い音が交互に聞こえます。
音波による音の伝播の体験
2 つの音波によって引き起こされる干渉は、音の伝播イベント、つまり音の強化と弱化を引き起こす可能性があります。これは、わずかに異なる周波数を持ち、同じ方向に伝播する 2 つの波の重ね合わせによって発生します。 2 つの音波が同時に伝播する場合、両方の位相が同じときに最も強い音が発生します。 2 つの振動が逆位相の場合、最も弱い音が発生します。

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2. 光波の性質

光波体験干渉
光波は音波と同様に干渉する可能性があります。光の干渉を得るには、コヒーレントな光源、つまり同じ周波数と固定の位相差を持つ光源が必要です。コヒーレント光源は、ヤングとフレネルによって行われた実験から観察できます。光の干渉により、暗い光のパターンが生成されることがあります。暗いパターンは、逆位相を持つ 2 つの波の合体による相殺的な干渉 (相互に減衰) によって生じます。明るいパターンは、同じ位相を持つ 2 つの波の組み合わせによる構造干渉 (相互強化) によって生じます。
光波は回折を経験する
波の回折は、波面の一部をブロックするギャップまたはコーナーバリアの形のバリアの存在によって引き起こされる波の曲がりのプロセスです。光の回折は、同じ距離にある互いに平行な別々の狭いスリットでも発生します。回折格子と呼ばれるギャップが狭いほど、格子内のギャップが多くなります。スクリーン上に生成される回折パターンはより鮮明になります。画面上に明るい線が現れると、回折が最大になります。同様に円形スリットによって形成される回折パターンは、明るいリングと暗いリングで囲まれた中央の明るい形状で構成されます。
光波は偏光を経験します
偏光は、波の振動の方向をフィルタリングするプロセスです。振動の方向をフィルタリングするこのツールはポラロイドと呼ばれます。一例は結晶です。偏光は反射と屈折、複屈折でも見られます。粒子による光の吸収と反射は散乱と呼ばれます。偏光されていない光が媒体 (気体) に入ると、散乱光は部分的または完全に偏光される可能性があります。偏光の方向は、入射光線と視線によって形成される面に対して垂直になります。

3. 電磁波の性質

電界と磁界の変化は同時に起こります。
電界と磁界の方向は互いに垂直です。
電界と磁界の強度は互いに正比例し、E = c の関係に従います。 B.
電磁波の伝播方向は、電界および磁界の方向に対して常に垂直です。
電磁波は真空中でも伝播します。
電磁波は、媒体の電気的および磁気的特性のみに依存する速度で伝播します。
真空中の電磁波の伝播速度は一般的な定数であり、その値は = 3 x 108 m/s です。
電磁波は横波です。
電磁波は、反射、屈折、偏光、干渉、回折 (曲げ) のプロセスを経験することがあります。

波の種類

以下にいくつかのタイプの波を示します。

1. 媒体に基づいて

機械波、波は、その伝播の際に波の伝播プロセスにエネルギーを導く媒体を必要とする波です。音は、空間内の気圧の変化 (空気分子の密度) によって伝播する機械波の一例です。
電磁波、つまり、媒体がなくても伝播できる波です。電磁エネルギーは、測定可能ないくつかの特性、つまり、波長、周波数、振幅、速度を備えた波として伝播します。

電磁波の発生源は次のとおりです。

電気的振動
太陽光は赤外線を発生させます
紫外線を発生させる水銀ランプ
真空管内の電子が金属チップに向かって発射されると X 線が発生し (X 線に使用されます)、不安定な原子核はガンマ線を発生します。

日常生活における電磁波の例は次のとおりです。

電波
電子レンジ
赤外線
紫外線
可視光
X線と
ガンマ線

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2. 伝播方向と振動に基づく

構成要素:

横波

つまり、伝播方向が振動の方向に対して垂直である波です。横波の例としては弦波があります。ロープを上下に動かすと、波の動きの方向と垂直な方向にロープが上下に動くように見えます。

波の最高点はと呼ばれます ピーク 最下点が呼び出されている間、谷. 振幅平衡位置から測定された山の最大高さまたは谷の最大深さです。波上の 2 つの等しく連続した点からの距離 波長と呼ばれる(ラムダと呼ばれる – ギリシャ文字)。 波長は、ピークからピークまでの距離、または谷から谷までの距離と考えることもできます。

縦波

つまり、伝播方向が振動方向と平行な波 (例えば、薄っぺらな波)。振動するスリンキで発生する波は、密度と歪みの形でスリンキの長さと同じ方向になります。 2 つの隣接する密度または 2 つの隣接するひずみの間の距離は、一波.

シリーズ ミーティング そして歪みバネに沿って広がります。 ミーティング はスプリングコイルが互いに接近する領域であるのに対し、歪みスプリングコイルが互いに反対側を向いている領域です。横波が山と谷のパターンを持つ場合、縦波は密度とひずみのパターンで構成されます。波長は、連続する密度または連続するひずみの間の距離です。ここで意味するのは、密度またはひずみの 2 つの同一の連続した点からの距離です。

波の症状

以下にいくつかの波の症状を示します。

反射

イベント時 波の反射 波の反射の法則が適用されます。つまり、反射角は入射角と同じになります。これは、入射波動ビームが法線（反射面に垂直な線）に対して角度θを形成するとき、反射ビームは法線に対して角度θを形成することを意味します。

波の屈折

波の屈折（屈折） 波面がある媒質から別の媒質に入るときの波面の方向の偏向です。場合によっては、屈折と反射が同時に発生することがあります。入ってくる波が別の媒体に当たると、一部の波は反射され、他の波は透過または屈折します。屈折は、媒体が異なると波の速度が異なるために発生します。

干渉

電波干渉 2つ以上の波が同時に同じ場所に到達したときの波の融合または重ね合わせです。 2 つの波が干渉すると、その振幅が互いに強め合う波が生成されることがあります（干渉最大）、振幅が互いに減衰する波を生成することもあります（干渉）最小）。

波動回折

波動回折 波が狭い隙間や障壁を通過するときに曲がる現象です。

同じ媒質内では、波は直線的に伝播します。したがって、直線波も直線波の形で媒質全体に伝播します。ただし、媒体に隙間などのバリアや障害物がある場合はこの限りではありません。適切なギャップサイズの場合、到来する波はギャップを通過した後に曲がることがあります。ギャップの形の障壁の存在によって引き起こされる波の曲がりは、と呼ばれます。 波動回折.

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ギャップバリアが幅によって与えられる場合、回折はそれほどはっきりと見えません。以下の図 9 に示すように、ギャップを通過する波面はギャップの端でのみ曲がります。ギャップバリアが狭い場合、つまりサイズが波長のオーダーに近い場合、波の回折は非常に明白です。

波と音波の日常生活への応用例

以下に、日常生活における波と音波の応用例をいくつか示します。

無線

無線エネルギーは電磁エネルギーの最低レベルの形態であり、波長は数千キロメートルから 1 メートル未満の範囲にあります。最も一般的な用途は、宇宙研究やレーダーシステムなどの通信です。レーダーは、気象パターンや嵐の研究、地表の 3D マップの作成、降雨量の測定、極地での氷の動きの測定、環境の監視に役立ちます。レーダーの波長範囲は 0.8 ～ 100 cm です。

電子レンジ

マイクロ波放射の波長範囲は 0.3 ～ 300 cm です。その用途は主に、オープンスペース、料理、アクティブ PJ システムを通じたコミュニケーションと情報送信の分野です。アクティブ PJ システムでは、マイクロ波パルスがターゲットに発射され、その反射が測定されてターゲットの特性が研究されます。アプリケーション例としては、マイクロ波放射を測定する熱帯降雨測定ミッション (TRMM) のマイクロ波イメージャー (TMI) があります。電磁スペクトルから放出される地球の大気の電磁エネルギーで、蒸発、雲の水分量、強度を測定します。雨。

赤外線

健康状態は、体からの赤外線放射を調べることで診断できます。サーモグラムと呼ばれる特殊な赤外線写真は、血液循環の問題、関節炎、がんを検出するために使用されます。赤外線は盗難警報器にも使用できます。泥棒は知らないうちに光を遮断し、警報装置を隠します。リモコンは、LED (発光) によって生成される赤外線を介してテレビと通信します。ダイオード）がユニットに含まれているため、リモコンを使用して遠隔からテレビの電源を入れることができますコントロール。

紫外線

紫外線は植物の同化に必要であり、皮膚病の細菌を殺すことができます。

X線

X 線は、医療分野で体内の骨の位置を撮影するため、特に骨折を確認するために一般的に使用されています。ただし、X 線を長時間使用すると、人間の組織細胞が損傷する可能性があるため、X 線を使用する場合は注意が必要です。

楽器

ギターなどの楽器では、音源は物体、つまり弦を振動させることによって生成されます。大きな振幅（偏差）で弦を弾くと、より大きな音が出ます。また、弦の張力を強くすると音は高くなります。ドラムや他の楽器も同様です。音は音源が振動することで発生します。

盲メガネ

超音波の送受信を利用した超音波送受信装置を搭載。

海の深さを測定する
医療機器

超音波検査について（超音波）. 例として、 超音波スキャン 移動することで完了 プローブ 妊娠中の母親のお腹の皮膚の周りに、胎児の画像がモニター画面に表示されます。医師は胎児の画像を観察することで、胎児の成長、発育、健康状態を監視できます。 X線検査とは異なり、超音波検査は母親と胎児の両方にとって安全（リスクがありません）です。超音波検査または検査は、通過する材料に損傷を与えないため、超音波検査と呼ばれます。ダメージを与えない(非破壊検査、略称 NDT).

超音波スキャン技術は、肝臓（肝臓がんの兆候があるかどうか）や脳の検査にも使用されます。デバイスの製造超音波 脳手術を行わずに損傷した脳組織を除去します。「こうすることで、患者はリスクの高い脳手術を受ける必要がなくなります。損傷した脳組織の除去は、頭皮を切ったり縫ったり、頭蓋骨に穴を開けたりすることなく行うことができます。

ウェーブ質問の例

ワイヤ上を伝播する進行波は、y = 2 sin π (100t-4x) として表すことができます。y の単位は cm、x の単位は m、t の単位は秒です。ワイヤが単位長さあたりの質量密度が 20 g/cm の材料でできている場合、ワイヤの張力は次のようになります。

議論:

100π = ω
100π = 2πf
50Hz = f

4π = k
4π = 2π/λ
2 = λ

V 文字列 = λ * f
v = 2*50
v = 100

v = √(μ/f)
100 = √(20/f)
10000 = 20 / f
F = 0.002N

参考文献:

バイザー、アーサー。 1999. 現代物理学の概念 (翻訳)。ジャカルタ: エルランガ。
Budikase、E、他、1987。 SMU の物理学。ジャカルタ: 教育文化省。

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