オシロスコープを用いた音の振幅の読み取り
Problem Statement
オシロスコープを用いた音の振幅の読み取り
問題文
ある中学生が、スピーカーから出る音の波形をコンピュータのオシロスコープソフトで観察している。 画面にはマス目(グリッド)が表示されており、縦軸は音の振幅を、横軸は時間を表している。
最初に、ある大きさの音を鳴らしたところ、画面に表示された波の「山から谷までの高さ」は、縦軸のマス目でちょうど 2 マス分であった。このとき、スピーカーの振動板の実際の振幅は A1 であった。
次に、音の高さ(振動数)を変えずに、アンプのボリュームを回して音を大きくした。すると、画面に表示された波の「山から谷までの高さ」は、縦軸のマス目でちょうど 7 マス分に拡大された。 このとき、変更後のスピーカーの振動板の実際の振幅 A2 を求めよ。
ただし、オシロスコープの縦軸の表示スケールは途中で変更しておらず、画面上の波の高さはスピーカーの実際の振幅に正比例するものとする。
制約
- 最初のスピーカーの実際の振幅: A1=0.42 mm
- 最初の波の高さ(マス目): 2 マス
- 変更後の波の高さ(マス目): 7 マス
入力形式
求められた振幅 A2(単位: mm)の値を 100 倍し、自然数で答えよ。
Solution
解説
中学物理における音の大きさと振幅
中学理科の「音の世界」の単元では、音の性質について以下の2つの基本的な関係を学びます。
- 音の大きさは、発音体の振幅(振動の幅)が大きいほど大きくなる。
- 音の高さは、発音体の振動数(1秒間に振動する回数)が多いほど高くなる。
本問ではオシロスコープの波形を観察しています。オシロスコープの縦軸は振幅に対応しているため、画面上の波の高さ(マス目の数)と実際のスピーカーの振幅は正比例の関係にあります。
比例計算による振幅の導出
画面上の「山から谷までの高さ」が 2 マスから 7 マスに変化したということは、波の振幅が 27 倍(すなわち 3.5 倍)になったことを意味します。
実際のスピーカーの振幅もこれに正比例して大きくなるため、変更後の振幅 A2 は、最初の振幅 A1 に倍率を掛けることで求めることができます。(1ステップの計算)
A2=A1×27制約として与えられている A1=0.42 mm を代入します。
A2=0.42×3.5 A2=1.47 mm解答の入力形式への変換
問題の指示により、求められた A2 の値を 100 倍します。
1.47×100=147したがって、求めるべき自然数は 147 となります。