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コンテスト/Gnit Sunday Open 001 (GSO001)/第16問 マイケルソン干渉計と力学の融合によるフリンジシフト
第16問

マイケルソン干渉計と力学の融合によるフリンジシフト

終了
500 ptsLv.8 中級波動
2026/03/08 19:30〜2026/03/08 21:00
作成者:admin

問題文(再掲)

真空の波長が λ\lambdaλ の単色光源を用いたマイケルソン干渉計がある。光源から出た光はハーフミラー(ビームスプリッター)で2つの経路に分割される。 経路1には固定された鏡 M1M_1M1​ があり、経路2には水平で滑らかな床の上に置かれた質量 MMM の可動鏡 M2M_2M2​ がある。この可動鏡 M2M_2M2​ は、ばね定数 kkk の軽いばねに接続されており、水平方向に単振動することができる。 さらに、可動鏡 M2M_2M2​ とそれが動く空間は、絶対屈折率 nnn の透明な液体で完全に満たされた細長い水槽の中にある。(ハーフミラーや固定鏡 M1M_1M1​ は空気中(屈折率 111)にあるものとする)。

初期状態において、可動鏡 M2M_2M2​ はばねの自然長の付近で静止しており、干渉計の検出器ではある明るさの干渉縞が観測されていた。 いま、質量 mmm の弾丸が速さ v0v_0v0​ で水平に飛来し、可動鏡 M2M_2M2​ の裏側に完全に命中して一体となった(完全非弾性衝突)。衝突の時間は極めて短く、衝突直後に M2M_2M2​(および弾丸)は速度 VVV を得て、液体の中で単振動を開始した。液体の抵抗力は無視できるものとする。

可動鏡 M2M_2M2​ が振動すると、経路2の光学的距離が連続的に変化し、検出器で観測される干渉縞の明暗が周期的に変化する(フリンジシフト)。 この単振動の過程において、検出器で観測される明暗の変化の周波数(1秒間に通過する干渉縞の数)が最大となるときの、その最大周波数 fmaxf_{max}fmax​ を求めよ。 ただし、光の速さは弾丸や鏡の速さに比べて桁違いに大きく、鏡が動いている間のドップラー効果による波長変化は無視し、純粋な光路差の変化のみを考慮すればよい。

制約

  • 光源の真空中の波長: λ=5.60×10−7 m\lambda = 5.60 \times 10^{-7} \text{ m}λ=5.60×10−7 m
  • 液体の絶対屈折率: n=1.25n = 1.25n=1.25
  • 可動鏡の質量: M=0.480 kgM = 0.480 \text{ kg}M=0.480 kg
  • ばね定数: k=200 N/mk = 200 \text{ N/m}k=200 N/m
  • 弾丸の質量: m=0.020 kgm = 0.020 \text{ kg}m=0.020 kg
  • 弾丸の初速: v0=175 m/sv_0 = 175 \text{ m/s}v0​=175 m/s

入力形式

最大周波数 fmaxf_{max}fmax​ の値を単位 MHz\text{MHz}MHz (メガヘルツ、106 Hz10^6 \text{ Hz}106 Hz)で計算し、得られた値を 100100100 倍した値を回答せよ。

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