昭和大学物理2013年第2問
以下の問いに答えなさい。なおこの問題でヤング率という物理量が出てくるが、その詳しい内容には立ち入らない。
- A以下の文章の四角に入る最適な語句を解答欄に記しなさい。
図(a)に示すように、長さLの金属棒ABの中点Cを固定し、長さ方向に摩擦すると、金属棒中に1波を起こすことができる。この1波は基本振動であった。すなわち固定した部分Cは波の2、金属棒の両端AとBが波の3となった。1波の伝わる速さVは金属棒のヤング率とよばれる物理量E、および金属棒の密度ρと次の関係にあることがわかっている。 V=√Eρ 逆に、金属棒を伝わる一波の速さがわかれば金属棒のヤング率が得られる。
この速さVを求めるために長さ1.5mあまりのガラス管を用意した。図(b)に示すようにガラス管の一端はコルクのせんDでふさぐ。金属棒ABのAにコルクのせんを取り付けガラス管の他端に差し込んだ。金属棒とガラス管は一直線をなしていて、ともに水平に保たれている。また、金属棒の中点Cは固定してある。
コルクDの位置を変えることにより密閉ガラス管内の気柱の長さを変えることができる。このようにして、密閉ガラス管中の気柱をある長さに変えると、金属棒に生じた1波を密閉ガラス管の中に4させることができる。すなわち、密閉ガラス管の中(の空気中)に音波の5波を発生させることができる。実際、あらかじめガラス管の中に軽い粉末を封入しておくと、4によって粉末がしま模様を作る。このしま模様の間隔から音波の波長を調べると、4振動数がわかる。
- Bここから以下に示す手続きをふむと金属棒のヤング率を求めることができる。空気中の音速は340m/sであった。
- (1) 式(K)の両辺にある物理量の単位に注目することで、ヤング率Eの次元がわかる。ヤング率Eの次元は、どのような物理量と同じか。その物理量を(たとえば、『力』というように)挙げなさい。
- (2) 密閉ガラス管中にできたしま模様の間隔が0.100mであった。密閉ガラス管中に発生した音波の振動数はいくらか。
- (3) 金属棒の長さが1.00mであった。金属棒に発生した1波の伝わる速さはいくらか。
- (4) 金属棒の密度は9.00g/cm3であった。この金属棒のヤング率はいくらか。単位に気をつけなさい。