シミュレーションのリンク
扱っている現象および本教材の説明
ドップラー効果とは、音源や観測者が運動することによって、観測される音の周波数(音の高さ)が変化する現象です。救急車が近づいてくるときに音が高く聞こえ、遠ざかるときに低く聞こえるのはこの効果によるものです。
このシミュレーションでは、音源が運動する場合のドップラー効果を視覚化します。音源が発した波が空間を伝わる様子を波面として表示することで、音源の運動方向と逆方向では波長が変化することが観察できます。
このシミュレーションでは音速を 340 \( \text{m/s} \) としています。
ドップラー効果の原理
音源が静止しているとき、音波は同心円状に広がります。しかし、音源が運動すると:
- 音源が観測者に近づく場合: 波面が圧縮され、波長が短く(周波数が高く)なります
- 音源が観測者から遠ざかる場合: 波面が広がり、波長が長く(周波数が低く)なります
観測される周波数 \( f’ \) は以下の式で表されます:
$$ f’ = f \times \frac{V}{V \mp v_s} $$
ここで:
- \( f \): 音源の元の周波数
- \( V \): 音速
- \( v_s \): 音源の速度（近づくときは負、遠ざかるときは正）
対象
- 高校物理で波動を学習している学生
- 大学初年次の波動物理を学ぶ学生
- ドップラー効果を視覚的に理解したい学習者
使用方法
- シミュレーションを開始すると、音源が運動しながら波を発生します
- 設定ボタンを押して音源の速度を入力します。設定ボタンで音源の速度を変化させることもできます
- 音源から発せられた波面が同心円状に広がる様子を観察します
- 音源の運動方向の前方と後方で波面の間隔が異なることを確認します
観察のポイント
- 音源の進行方向前方では波面の間隔が狭く、周波数が高くなることを確認しましょう
- 音源の進行方向後方では波面の間隔が広く、周波数が低くなることを確認しましょう
- 音源の速度が音速に近づくと、前方の波面がどのように変化するか観察してみましょう
参考文献
- 高校物理教科書(波動分野)
- 大学物理波動論の教科書