波動
波動︵はどう、英: wave︶または波︵なみ︶は、エネルギーが伝わる現象・幾何学的に同じようなパターン︵波形︶が空間を伝播する現象のことである。
波動の例として、水面の振動によって生じる水面波や、電波や可視光線のような電磁波、空気中や物質中を伝わる音波などがある。また透過電子顕微鏡などは結晶を透過する電子線が回折像を生じるという性質を利用している。
音波などの波動を伝える物質を波動の媒質と呼ぶ。媒質の存在は必ずしも必要でなく、例えば電磁波は電磁場そのものの振動であり、一般相対性理論における重力波は質量を持つ物体の振動により生じる時空の歪みである。
波動は進行方向と振動方向によって縦波と横波に分類される。進行方向と平行に振動する波を縦波、進行方向に垂直に振動する波を横波と呼ぶ。
横波の振動方向が︵進行方向と平行な平面上で︶規則的に変化する状態を偏極といい、特に光に対しては偏光という。横波の振動は進行方向に対して複数の向きを持ち得るが、縦波は進行方向と平行な向きにしか振動せず偏極を持たない。
波動に特徴的な現象として、干渉と回折が挙げられる。干渉は複数の波動が重なり互いを打ち消し合ったり強め合ったりする現象であり、回折は障害物や開口を通った波動が幾何光学的に到達できない領域に伝播する現象である。
数学的には、干渉および回折は波動方程式の解の性質として得られる。また物理学において、波動の干渉は重ね合わせの原理によって、波動の回折はホイヘンス=フレネルの原理によって説明される。
「波」も参照
性質[編集]
波動方程式で表せるような波動を線形波動という。線形波動について重ね合わせの原理が成り立つ。
●進行波同士は互いに影響を与えない
●複数の波が重なる領域での振幅は、それらの波形の和の振幅に等しい
重ね合わせの原理によって説明される現象に、干渉がある。位相の揃った波の重ね合わせは互いを強め合うが、位相が半分程度ずれた波の重ね合わせは互いを打ち消し合う。
波動が障害物の近くを通ると、障害物の周りに波面が回り込んで伝わることがある。この現象を回折という。回折現象はホイヘンス=フレネルの原理により説明される。ホイヘンス=フレネルの原理によれば、前進波の波面から二次的な球面波︵素元波︶が生じ、それらが重ね合わさることで回折を引き起こすと考えられる。
周期性を持つ波動、特に、正弦波では、振動数、周期、振幅、波数、波長などの物理量が定義される。
同じ時刻に場の量が同じ値をとる点の集まりによってできる面を波面という。波面が球面のものを球面波という。波面が平面のものを平面波という。
平面における縦波の変化を表した動画。
平面における横波の変化を表した動画。
定常波
点音源から生じる粗密波︵縦波︶のシミュレーション。