波クイズ特集 – 波の性質と現象を理解する10問
波の性質や現象をテーマにした10問のクイズを通して、波動の基本的な理解を深めていきましょう。音波、光波、地震波など、私たちの身の回りには様々な形態の波が存在しています。このクイズでは、波の伝搬、干渉、反射、屈折といった基本的な性質から、より専門的な分散、群速度、偏光など、波動の重要な概念をカバーしています。
波動は物理学の根幹をなす重要な分野であり、正しい理解は様々な自然現象や先端技術の理解にも役立ちます。このクイズを通して、皆さんが波動に関する基本を確実に把握し、より深い知識につなげていくことができれば幸いです。クイズに挑戦して、波の世界をお楽しみください。
Q1 : 弦の端の境界条件に関する問題：弦の自由端（端が固定されていない場合）に対応する振動条件として正しいものはどれか？
弦の自由端では垂直方向の力が零となるため、変位の傾き（空間導関数）はゼロであり変位が極大となる点、すなわち腹（振幅が最大）になります。一方、固定端は変位が零の節になります。したがって自由端は節ではなく腹となり、その結果固有振動モードも固定端条件とは異なる形状を取ります。
Q2 : 境界での屈折に関する問題：波が異なる媒質境界で屈折する場合の入射角θ1と透過角θ2、媒質中の波速v1、v2の間の関係として正しいものはどれか？
波の屈折はスネルの法則で記述され、屈折率nを用いるとn1 sinθ1 = n2 sinθ2です。屈折率は波速の逆数に比例するため（n∝1/v）、これを変形するとsinθ1/sinθ2 = v1/v2という関係が得られます。したがって入射角と透過角の比は媒質中の波速比に等しく、波長や屈折率を用いる別表現と整合します。
Q3 : 群速度と位相速度に関する問題：次の記述のうち正しいものはどれか？
群速度は波群（複数周波数成分の重ね合わせ）が移動する速度であり、一般にエネルギーや情報の伝搬速度と対応します。一方位相速度は単一周波数成分の位相が進む速度で、分散がある場合これらは異なります。したがって『群速度がエネルギーや情報を運ぶ』という記述が正しいです。
Q4 : ドップラー効果に関する問題：観測者に向かって移動する波源が発する波を観測した場合、観測者が測定する周波数はどう変化するか？
ドップラー効果では波源が観測者へ近づくと波が圧縮されて観測される周期が短くなり、結果として観測周波数が高くなります（波長は短くなる）。逆に遠ざかると周波数は低下します。この現象は音波や電磁波（相対論効果を含めた補正あり）で観測され、速度や相対速度の符号で周波数変化の方向が決まります。
Q5 : 波の偏光に関する問題：次のうち偏光（振動方向に特定の向きがあること）が可能な波はどれか？
偏光は媒質中の振動が特定の方向性を持つ現象で、横波であるとき明確に定義されます。地震波ではS波がせん断（横）波であり、媒質内の粒子が進行方向に対して横方向に振動するため偏光（振動面の方向）が存在します。音波やP波は主に縦波で偏光が定義しにくく、海面波は複雑な運動をするため単純な偏光の概念は当てはまりにくいです。
Q6 : 深水波の速度に関する問題：深水波（深さが波長より十分に深い場合）について、波長が長くなると位相速度はどうなるか？
深水波の位相速度は理論的にc = sqrt(gλ/2π)（gは重力加速度）で表され、波長λが大きくなるほど位相速度cは増加します。したがって長波長の深水波は短波長より速く伝播します。振幅が小さい線形近似での関係であり、非常に大きな振幅や非線形効果が支配する場合は別扱いとなりますが、一般的な深水波理論では波長依存性により速度は速くなります。
Q7 : 波の基本関係に関する問題：ある媒質で波の周波数を2倍にし、同じ媒質で波長が1/2になった場合、波の伝播速度はどうなるか？
波の基本式はv=fλ（速度＝周波数×波長）で表され、媒質が同じなら伝播速度vはその媒質固有の値で一定です。問題では周波数fが2倍、波長λが1/2になっているのでv=（2f）×（λ/2）=fλとなり、元の速度と同じです。したがって速度は変わりません。これは線形波の基本関係であり、媒質が変わる場合は速度も変化しますが、ここでは媒質は同一と仮定されています。
Q8 : 波の種類に関する問題：次のうち横波の典型的な例はどれか？
横波は媒質の粒子が波の伝搬方向と直交する方向に振動する波で、電磁波（光）は電場・磁場が振動して進むため代表的な横波です。音波や管内の音は圧縮と希薄化が進行方向に沿って起きる縦波であり、浅い水波は粒子運動が楕円や円に近く完全な横波とは異なります。したがって横波の明確な例として光が適切です。
Q9 : 弦の固有振動に関する問題：両端が固定された弦の基本モード（第1倍音）における節（振幅が常に零の点）の数はいくつか？
両端固定の弦の基本モードでは両端が必ず節になります。基本振動では弦の中央に腹（振幅が最大の点）が一つ、両端に節がそれぞれ一つずつ存在するため、節の数は2です。節は振動の位相が反転しない点であり、固定端が節として働くため、基本モードでの節は端点の2つのみとなります。
Q10 : 波の分散に関する問題：次のうち『分散（波長によって位相速度が変わる）する波』として正しいものはどれか？
分散とは波の位相速度が波長や周波数に依存する現象です。真空中の電磁波は非分散（全周波数で光速c）ですが、水面波は浅水・深水条件で速度が波長に依存し、特に深水波では位相速度がλの平方根に比例するなど明確に分散します。音波は通常非分散近似が成り立ちますが、媒質や周波数範囲により例外もあります。
まとめ
いかがでしたか？ 今回は波クイズをお送りしました。
皆さんは何問正解できましたか？
今回は波クイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
次回のクイズもお楽しみに。
