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反射の法則
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反射の法則は,経験的にも分かる,言わずと知れた法則です.その反射の法則について,ちょっと真剣に考えてみましょう.
反射の法則
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.. image:: tomo-reflection-fig1.png
平面波(波面が平面で,波面に垂直な方向に伝播する波)が,ある面に向かって進んできます.
.. image:: tomo-reflection-fig2.png
そして,反射してきます. $i$ を入射角, $i'$ を反射角と呼びます.
「そんなの知ってるよ〜. $i=i'$ でしょ?」という声が聞こえてきそうですが,どうしてそうなるか,考えたことがありますか.
最初から丁寧に考えていきましょう.
.. image:: tomo-reflection-fig3.png
波面が $AA'$ に到達するまでは,何事もなくまっすぐ進んできます.では, $B'$ を通る波面はどうなるでしょうか.
点 $A$ で反射した波は,点 $A'$ の方が点 $B'$ まで進む間に,それと同じ距離つまり $A'B'$ だけ進むことは分かりますが,
どちらの方向に進むか分かりません.点 $A$ を中心とした半径 $A'B'$ の半円のどこかにいることになりますから,その半円を図示しておきます.
.. image:: tomo-reflection-fig4.png
平面波は,波面に垂直な方向へ伝播しますので,点 $B'$ から半円に引いた接線が,新しい波面 $BB'$ となることが分かります
(中心からある点(ここでは点 $B$ )を結ぶ線分( $AB$ )と,その点に接する接線( $BB'$ )は垂直に交わりますね).
.. image:: tomo-reflection-fig5.png
その後はそのまままっすぐ進んでいきます.
.. image:: tomo-reflection-fig6.png
さて,入射角 $i$ と反射角 $i'$ がどのような関係にあるかを考えてみましょう.
.. image:: tomo-reflection-fig7.png
$\bigtriangleup A'AB'$ と $\bigtriangleup BB'A$ が直角三角形であることから,
\angle A'AB'=i
\angle BB'A=i'
となります.
\sin i=\frac{A'B'}{AB'}
\sin i'=\frac{AB}{AB'}
AB=A'B'
より,
\sin i=\sin i'
と分かるので,
i=i'
と求まります.
固定端反射と自由端反射
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波がある媒質にぶつかって反射する時には,その点で媒質が固定されているかどうかによって,様子が異なります.
適当なひもが用意できる場合は,以下に紹介する簡単な実験ができますので,ぜひやってみてください.
固定端反射
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固定端反射の場合,反射する点をぎゅっとつかんで固定しておきます.
.. image:: tomo-reflection-fig8.png
反射する点でない方を持っている人が,波を1つ送ります.
.. image:: tomo-reflection-fig9.png
波が伝わっていきます.
.. image:: tomo-reflection-fig10.png
.. image:: tomo-reflection-fig11.png
.. image:: tomo-reflection-fig12.png
ひっくり返って戻ってきます.両端を固定端にして波を送ると,以下のようになります.
.. image:: tomo-reflection-fig20.gif
自由端反射
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自由端反射の場合,反射する点は輪にして,棒に通すなどして,図中矢印の方向に自由に動けるようにしておきます.
.. image:: tomo-reflection-fig13.png
反射する点でない方を持っている人が,波を1つ送ります.
.. image:: tomo-reflection-fig14.png
波が伝わっていきます.
.. image:: tomo-reflection-fig15.png
.. image:: tomo-reflection-fig16.png
.. image:: tomo-reflection-fig17.png
.. image:: tomo-reflection-fig18.png
ひっくり返ることなく戻ってきます.両端を自由端にして波を送ると,以下のようになります.
.. image:: tomo-reflection-fig19.gif
波の式では
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波を式で表した時に現れる「位相」に触れておきます.固定端反射における「ひっくり返る」は,
位相で言うと(入射波に対して反射波は)「 $\pi$ ずれる」ということになります.自由端反射では「ひっくり返らない」のですから,
位相は「ずれない」ということになります.
@@author: tomo@@
@@accept: 査読中@@