【中学1年理科】音の性質まとめ・問題

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中1理科。今日は音の性質について学習します。音の単元では2つのことをマスターします。どうやって音が伝わるのか、音の大きさや高さにはどんな決まりがあるのかを学習します。

音の伝わり方

音さや弦、楽器や鐘のように、音を発しているものを「音源」といいます。音源がどうやって音を出しているかというと、音源が振動することで音を出しています。

では、音源の振動がどのように伝わり、音が聞こえるのかを考えましょう。音源の周りには空気や水、あるいは固体などの物質があります。音源の振動が、これらの物質を次々に振動させることで音が伝わるのです。

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音を伝えるもの

空気中で音が伝わることは実感できるので、気体中で音が伝わることはわかりますが、液体や固体中でも音が伝わります。

  • 気体…空気など
  • 液体…水など
  • 固体…金属や木など

気体も液体も固体も振動できます。音源の振動がこれらを振動させ音が聞こえるのです。

真空中では音は伝わらない

音が伝わらないのは真空中です。真空とは何もない状態です。周りに空気もありませんので、音源の音が伝わりません。

目覚まし時計を密閉した容器に入れ、真空ポンプで空気を抜いていくと音が小さくなっていくのは、音源の周りに振動するものがなくなってしまうからなのです。

音の波

空気中や水中を音はどのように伝わっていくかといえば、「音の波」となって伝わっていきます。音源の振動により、その周りの空気が押し縮められて濃くなったり、引かれてうすくなったりします。これが次々と伝わり音の波となって空気中を伝わっていきます。

音の伝わる速さ

空気中を音が伝わる速さは約340m/sです。空気の温度によって少し変化しますが、この数字を覚えておきましょう。音の速さを計算する問題で、この数字からかけ離れている場合は、計算が間違っている証拠です。

光の伝わる速さ

音の速さと一緒に、光が空気中を伝わる速さも覚えておきましょう。光が空気中を伝わる速さは、30万km/sと非常に速く、音の速さと比較して桁違いの速さになります。

このため、雷が鳴ったとき、光は瞬時に届きますが、音の速さの方が遅いため雷鳴は遅れて聞こえるのです。

音の大きさや高さ

次は、音の聞こえ方について学習します。大きい音や小さい音、高い音や低い音にはどのような違いがあるのでしょうか。まずは用語から押さえていきましょう。

振幅

音源の振動の幅を表します。振幅が大きければ大きいほど大きい音になります。振幅が小さければ小さいほど小さな音になります。

振幅

振動数

音源が1秒間に振動する回数振動数といいます。単位は[Hz]でヘルツといいます。振動数が多ければ多いほど高い音になり、振動数が少なければ少ないほど低い音になります。
振動数

オシロスコープでの音の波形

大きい音、小さい音、高い音、低い音をオシロスコープという、波の形を見る装置で見てみると、次のような波形が現れます。

オシロスコープ

大きい音・小さい音を出すには

弦や太鼓などを使って大きい音、つまり振幅が大きい音を出すにはどうすればいいのでしょうか。

大きい音

大きい音を出すには、振幅を大きくすればいいので、弦をはじく強さを大きくする、太鼓をたたく強さを大きくすればいいのです。

小さい音

小さい音を出すには、振幅を小さくすればいいので、弦をはじく強さを弱くする、太鼓をたたく強さを弱くすればいいのです。

高い音・低い音を出すには

弦を使って高い音や低い音を出すにはどうすればいいのでしょうか。弦が振動する回数である振動数を多くすれば高い音、少なくすれば低い音が出ます。

高い音

高い音を出す、つまり振動数を多くするには、振動している物体の重さを軽くすればいいのです。具体的には次の方法があります。

  • 弦を短くする
  • 弦を細くする
  • 弦を強く張る

上記の3つの方法を行えば、振動する弦の重さが軽くなり高い音が出ます。

低い音

低い音を出す、つまり振動数を少なくするには、振動している物体の重さを重くすればいいのです。具体的には次の方法があります。

  • 弦を長くする
  • 弦を太くする
  • 弦を弱く張る

上の3つの方法をとれば、振動する弦の重さが重くなり低い音が出ます。

音の性質の確認問題

  1. 音を発しているものを何というか。
  2. 音を発しているものはどんな状態にあるか。
  3. 密閉容器に音が鳴っているブザーを入れ、真空ポンプで空気を抜いていくと、音はどのように変化するか。
  4. 水などの液体中でも音は伝わるか。
  5. 680m離れた地点で花火が上がったとき、2秒後に花火の音が聞こえた。音が空気中を伝わる速さは何m/sか。
  6. 校舎の壁に向かってピストルを鳴らしたところ、2秒後にピストルの音が反射して返ってきた。このときの空気中での音の速さを340m/sとすると、ピストルを鳴らした地点から校舎まで何m離れていることになるか。
  7. 振幅が大きいとどんな音になるか。
  8. 1秒間に音源が振動する回数を何というか。
  9. 8の単位は何か。
  10. 弦を弾いて、大きくて高い音を出すには、どんな弦をどのように弾けばよいか。

解答

  1. 音源</li>
  2. 振動している
  3. 小さくなっていく
  4. 伝わる
  5. 340m/s
  6. 340m
  7. 大きい音
  8. 振動数
  9. Hz(ヘルツ)
  10. 細くて短い弦を強く張り、弦を強く弾けばよい。

【練習問題】音の高低や振動数

問題下の図1のように、モノコードを使っていろいろに条件を変え、弦を弾く実験を行った。あとの各問いに答えよ。

【実験】
①細い弦をモノコードにセットし、図1の位置に木片を置いて弦を弾いて音を出し、音の大きさ、音の高さ、コンピューターに表示される波形を調べた。図2は、このときコンピューターに表示された波形のようすである。
②次に、モノコードにセットする弦の太さや木片の位置を変え、弦を弾いたときに出る音をコンピューターに通して観察した。図3は、このとき観察された波形のようすを表している。

モノコード

(1)実験①において、弦を1回だけ弾いたとき、聞こえた音の大きさしだいに小さくなっていったが、音の高さは一定で変わらなかった。このことから、弾いたあとの弦における、振動数の変化、振幅の変化について、どのようなことがわかるか。それぞれ簡潔に答えよ。

(2)図3のア~ウの中で、実験①と同じ弦を弾いて出た音の波形はどれか。記号で答えよ。

(3)図3のア~ウの中で、実験①の弦よりも太い弦を弾いたものはどれか。記号で答えよ。

(4)図2のグラフの横軸の1目盛りが0.001秒を表している場合、実験①で弾いた弦の振動数は何Hzになるか。

【解答・解説】音の高低や振動数の計算問題

(1)振動数:変化なし。 振幅:小さくなった。
同じ弦から出た音なので、音の高低は変化しません。したがって振動数は変化していません。時間が経つにつれて音の大きさが小さくなっているので、振幅は小さくなっています。

(2)
実験①と同じ弦を弾いた場合、音の高さが同じになります。したがって、振動数が変化していないイが、実験①と同じ弦になります。振幅が大きいので実験①の弦を強く弾いたこともわかります。

(3)
太い弦を弾いた場合、音の高さが低くなります。低い音の振動数は少なくなるので、グラフの山の数が少ないウが答えになります。

(4)250Hz
図2の横軸の1目盛りが0.001秒なので、1回振動するのに0.004秒かかることがわかります。振動数は1秒間に振動する回数ですので、
0.004秒:1回=1秒:x回
x=250
振動数は250Hzになります。

【発展理科問題❶】音の速さの公式

下の図のように、グラウンドで音の速さを計測する実験を行った。スピーカーから138m離れた所に立ち、スピーカーから出るチャイムの音を観測した。また、スピーカーと反対側に壁があり、観測者は壁ではね返ってきたチャイムの音を、最初にチャイムの音を聞いた0.6秒後に再び聞いた。ただし、この日の気温は22.5℃であり、t[℃]のときの音の速さは次の公式で求めるものとする。

音の速さ=331.5+0.6t

音速

(1)この日の音の速さは何m/sか。

(2)スピーカーから出たチャイムを観測者が最初に聞いたのは、スピーカーからチャイムが出て何秒後か。

(3)観測者と壁の距離は何mか。

(4)音の速さを計測した実験を行った日の夕方、家から数百メートル離れた避雷針に落雷した。このときいなずまを見てから少し遅れて雷鳴が聞こえた。その理由として正しいものを、下のア~エの中から一つ選び、記号で答えよ。
ア 光はどんなときも同じように伝わるが、音は気温や湿度により伝わり方が変わるから。
イ 光は瞬時に伝わるが、音が伝わるのには時間がかかるから。
ウ 放電によりいなずまが出た後に、少し遅れて雷鳴が発生するから。
エ 光と音を同時に観測しているが、音を認識するまでに時間がかかるから。

【発展 解答・解説❶】音の速さの公式

(1)345m/s

音の速さの公式に気温22.5℃を代入して音の速さを求めます。
音の速さ=331.5+0.6×22.5℃=345m/s

(2)0.4秒後

スピーカーと観測者の間の距離138mと、(1)で求めた音の速さ345m/sで求めます。
138m÷345m/s=0.4s

(3)103.5m

スピーカーから出たチャイムが、観測者を通過し、壁ではね返って2回目のチャイムが観測されます。チャイムは0.6秒間で観測者から壁に進み、壁で反射して再び観測者に達しているので、0.6秒は観測者と壁の往復の時間となります。したがって、片道の0.3秒で計算します。
345m/s×0.3s=103.5m/s

(4)

光が空気中を進む速さは秒速30万km、音が空気中を伝わる速さは約340m/sと、圧倒的に光の方が速いので、光は瞬時に伝わり、音はそれから少し遅れて伝わります。

【発展理科問題❷】ドップラー効果

毎秒15mの速さで、まっすぐな道路を走っている自動車が、A地点を通過した瞬間から13.6秒間サイレンを鳴らした。A地点から1020m先のB地点にいる人に聞こえるサイレンの音について、次の各問いに答えなさい。ただし、音の速さは毎秒340mとする。

ドップラー効果

(1)A地点で発したサイレンの音は、B地点では何秒後に聞こえるか。

(2)B地点ではサイレンは何秒間聞こえるか。

(3)B地点で聞こえるサイレンの音は、A地点で聞こえるサイレンの音に比べ聞こえ方が異なる。B地点で聞こえるサイレンの音について正しいものを次のア~ウから選び、記号で答えよ。
ア B地点の方が高く聞こえる。  イ B地点の方が低く聞こえる。
ウ どちらも同じ高さである。  エ 高く聞こえたり低く聞こえたりする。

【解答・解説❷】ドップラー効果

ドップラー効果の計算方法について、段階を追って計算してく問題となっています。実際に出したサイレンの時間よりも短く聞こえるので、音は高く聞こえます。

(1)3.0秒後

A地点で出されたサイレンの音は、1020mの距離を340m/sの速さで進んでB地点の人に届きます。したがって、
1020m÷340m/s=3.0s
3.0秒後に最初のサイレンの音が届きます。

ドップラー効果

(2)13.0秒間

自動車がA地点で出したサイレンの音は、B地点では3.0s後に聞こえます。その後、13.6秒間サイレンを鳴らしている間に自動車は、
15m/s×13.6s=204m 進むので、13.6秒後の自動車がいる地点からB地点までの距離は、
1020m-204m=816m
になります。自動車から最後に出たサイレンの音は、この距離を進んでB地点の人に届きます。
816m÷340m/s=2.4s

ドップラー効果

したがって、B地点の人が聞くサイレンの長さは、
13.6+2.4-3.0=13.0s
と短く聞こえます。

(3)

音源が観測者に近づいている場合、音は実際の音よりも高く聞こえ、音源が観測者から遠ざかっている場合、実際の音よりも低く聞こえます。これをドップラー効果といいます。

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