波とは何でしょうか？
岸から遠く離れた海で、カモメは波が通るたびに上下しますが、波と一緒には移動しません。
伝わっていく変化
静かな池に石を落とすと、水面に輪が広がります。ギターの弦をはじくと、揺れてぼやけて見えます。野原で大声を出すと、少し後に離れた人へ届きます。どれも波です。OpenStaxの『College Physics』は、波とは、発生した場所から伝わっていく変化であると簡潔に定義しています。池で変化するのは水面の形、空気中では圧力、弦では横方向のたわみです。
大切なのは「変化」という言葉です。変化の形は進みますが、物質そのものはほぼ元の場所にとどまります。沖に浮かぶカモメは、波の山が来ると上がり、谷が通ると下がり、波が過ぎた後もほぼ元の位置にいます。OpenStaxによると、岸から遠い水面の波では、水の粒子は小さな円を描いて同じ付近にとどまり、エネルギーが先へ進みます。深い水の中で波に押されたときに感じるのは、流れ去る大量の水ではなく、波のエネルギーなのです。
山・谷・波長・振幅
単純な繰り返しの波では、高い部分を山、低い部分を谷といいます。波の進む向きに測った、隣り合う山の間の距離が波長です。ギリシア文字のλ（ラムダ）で表します。振幅は、媒質が静止位置からどれだけ離れるかを表します。水平な線から山までの高さ、または山から谷までの距離の半分です。OpenStaxが指摘するように、振幅と波の伝わる速さはまったく別です。同じロープ上なら、大きな波も小さな波も同じ速さで進みます。
揺れる向きは二通り
波は、揺れる向きと進む向きの関係によって、基本的に二種類に分けられます。横波では、媒質は波の進む向きに対して直角に動きます。柱につないだロープの端を振ると、ロープの各部分は上下するだけですが、山はロープに沿って進みます。楽器の弦を伝わる波は横波で、光などの電磁波も横波です。縦波では、媒質は波の進む向きに沿って前後に動きます。長いばねの端を押し引きすると、密部と呼ばれる密に詰まった部分がばねに沿って進むのが見えます。
空気中や水中の音は縦波です。流体は横にずらす変形にはほとんど抵抗できないので、圧縮と膨張の変化だけを伝えます。固体は両方の波を伝えられます。海面の波は両者が混ざっているため、水の粒子は円を描きます。地震でも両方が地中を伝わります。OpenStaxによると、圧縮の波であるP波は4〜7 km/s、せん断の波であるS波は2〜5 km/sで進みます。地震計にはP波が先に記録され、S波が届くまでの時間差から地震までの距離がわかります。
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媒質のいらない波
水の波、音、地震波は、伝わるために物質を必要とする力学的な波です。真空には圧縮する物質がないので、音は伝わりません。光、電波などの電磁波は違います。変化する電場と磁場からなり、真空も伝わります。そのため太陽の光は、1億5000万キロメートルの宇宙空間を越えて私たちに届きます。OpenStaxは、ここでのよくある混同に注意を促しています。ラジオは音を届ける機器ですが、電波そのものは音ではなく電磁波です。
| 波 | 発生した場所から伝わり、エネルギーを運ぶ変化です |
| 山と谷 | 波の最も高い点と最も低い点です |
| 波長 λ | 隣り合う山の間の距離です |
| 振幅 | 静止位置からのずれの最大値です |
| 横波 | 振動は進行方向に対して直角です。ロープの波では媒質が、光では電場と磁場が振動します |
| 縦波 | 媒質が進行方向に沿って動きます（空気中の音） |
| 力学的な波 | 物質を媒質として必要とします。音は真空を伝わりません |
- 波がある場所から別の場所へ運ぶのは何ですか？
- エネルギー
- 水や空気そのもの
- 質量
- 何も運びません
- 沖に浮かぶカモメの下を波が通り過ぎます。カモメはどう動きますか？
- ほぼ同じ場所で、主に上下します
- 波と一緒に岸へ進みます
- 横にだけ動きます
- 動きません
- ギターの弦を伝わる波は、どれですか？
- 横波
- 縦波
- どちらでもありません
- 音波だけです
- 空気中を伝わる音は、どれですか？
- 縦波
- 横波
- 電磁波
- 空気を必要としない複合的な波
- 宇宙の真空を伝わるのはどれですか？
- 電波
- 音
- 水の波
- 地震のS波
- ロープを伝わる波で、山の頂点から谷の底までの距離が60 cmです。振幅はいくらですか？
- ロープの張り具合を変えずに、より大きな波を作ります。波の速さはどうなりますか？
- 変わりません
- 2倍になります
- 半分になります
- ゼロになります
- 地震が起きたとき、遠くの地震計に先に届くのはどの波ですか？
- P波（縦波）
- S波（横波）
- 必ず同時に届きます
- どちらも届きません
- 説明用の例です。P波の速さは6 km/s、S波の速さは3.5 km/sで、S波はP波の20 s後に届きました。震源までの距離はいくらですか？
- 波は振動が伝わる現象で、媒質そのものではなくエネルギーを運びます。
- 波長λは山から次の山までの距離、振幅はつり合いの位置から山までの距離です。
- 横波は進行方向に垂直に振動します（ロープの波や光）。縦波は進行方向に沿って振動します（空気中の音）。
- 力学的な波には媒質が必要ですが、電磁波には必要ありません。
このコースの出典 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
確認日: 2026-10-17