憂しと見し世ぞ今は恋しき

中学受験理科講座　音の性質

haruyou

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音の伝わり方

音＝振動

Haru_You
今回は音について説明するけど、音ってなんだと思う？

うーん、なんだっていわれても音は音でしょ。
はるか

Haru_You
いや、音は物体の振動によって発生する波なんだよ。
それが耳の鼓膜に届いたとき、鼓膜に波の振動が伝わったものを、脳が音に変換して受け取っているんだ。

物体の振動が音になるっていうのはギターやたいこを見ればなんとなくわかるな。
でも、どうやって振動が離れたところに伝わるの？
はるか

Haru_You
物体の振動が空気を振動させて、空気の振動によって音が離れたところに伝わるんだ。
大だいこの近くに火が付いたろうそくを置いてたいこをたたくと、振動が伝わって炎がゆらめくのが見られるよ。
また、空気の振動は音を出すもの（音源）から遠ざかると弱まるから、音源から離れると音が聞こえなくなることも、その炎のゆらめきが小さくなるのを見てわかるんだ。

空気以外を伝わる音

糸電話って、実際に話している声が聞こえないくらい離れてもコップから声が聞こえるよね。
あれは糸が音を伝えているの？
はるか

Haru_You
うん、音は空気以外のもの、液体や固体の振動でも伝わることができるんだ。
糸電話は糸の振動で音が伝わるから、振動しやすく糸をピンと張り、水でぬらすとよりよく聞こえるようになるよ。
また骨伝導といって、空気の振動でなく直接頭の骨を振動させて聴覚神経に伝わる音もあるんだ。
作曲家のベートーヴェンは耳が聞こえなかったけど、奥歯でかんだ棒をピアノに押し付けて振動を聞き取って作曲していたというよ。

自分の声を録音して聞くと不思議な感じがするのは、骨伝導せずに聞いているからってことか。
はるか

音波と周波数

Haru_You
ということで、音＝振動による波というのはわかったかな。

だから「音波」って言葉があるんだね。
じゃあ、「ちょうおんぱ」ってなに？ホーホーとかマリルとかが覚えるやつ。
はるか

Haru_You
1秒間に何回振動するかを周波数といって、ヘルツ（Hz）という単位で表すんだけど、人間の耳が受け取れる周波数には20ヘルツ~20000ヘルツという範囲があるんだ。で、それより大きい周波数の振動が超音波といって、人間の耳には聞こえない音になるんだ。

でも、イルカとかコウモリには聞こえるんだよね。
はるか

真空鈴の実験

Haru_You
では、空気（伝えるもの）がないと音が伝わらないことを確かめる実験をしてみようか。
まず、フラスコの中に鈴をつるして、栓をしてからフラスコを中の鈴ごと振ってみよう。

小さくなったけど、鈴の音は聞こえるよ。
栓をしているのに、どうして空気の振動が伝わるんだろう？
はるか

Haru_You
それは鈴の振動がフラスコ内の空気を振動させ、空気の振動がフラスコのガラスを振動させ、それが外の空気を振動させているからだよ。
つぎにフラスコの栓をはずして水を入れ、加熱して沸騰させる。
するとフラスコ内は水蒸気でいっぱいになり、空気が追い出される。
ここで再び栓をして振ると･･･

 さっきと同じように鈴の音が聞こえるよ。
だってフラスコ内に水蒸気があるんだから、そこで振動＝音は伝わるもんね。
はるか

Haru_You
だよね。
で、栓をしたままこのフラスコを冷水につけて冷やすんだ。
水蒸気は水に戻ると体積が1700分の1になるけど、水蒸気がなくなったところに入る空気がないからフラスコ内は真空に近い状態になる。
ここで振ると･･･

鈴の音が聞こえなくなったね。
はるか

Haru_You
フラスコ内が真空になっているから鈴の振動がフラスコに伝わらないんだ。
最後に、図のようにゴム管の先を水に入れてから、ピンチコックを外してみよう。

ゴム管から水が吸い込まれて、フラスコの中に入っていくね。
はるか

Haru_You
フラスコ内の気圧が低いから、水を吸い込むんだ。

音の三要素

音の三要素って？

Haru_You
音といっても、いろんな音があるよね。
たとえばピアノから音を出すときにドの音とレの音が違う、「音の高低」があるよね。

楽器じゃなくても高い音と低い音ってあるし、声も高い声、低い声があるね。
はるか

Haru_You
また、ピアノなら鍵盤を強く叩けば大きい音が出るよね。
声だってそうだけど、「音の大小（強弱）」という違いもある。

音の高低と強弱が1つ1つの音を決めてるってことかな。
はるか

Haru_You
いや、同じドの音を出してもピアノとリコーダーじゃ全然音が違うように、「音色」という音の特徴による違いもあるんだ。
で、この音の高低・音の大小・音色を「音の三要素」というよ。

この三要素はどうやって決まるの？
はるか

Haru_You
音の正体は振動だってさっき話したよね。
だから振動のしかたによって音の三要素が変わるんだ。

音の高低

じゃあ、どんな振動をすると音が高くなったり低くなったりするの？
はるか

Haru_You
音の高低を決めるのは振動数だよ。
振動数が多い（速く振動する）と高い音が、振動数が少ない（ゆっくり振動する）と低い音が出るんだ。
縄跳びが風を切る音はイメージできるかな？

そういや、縄が速いと風を切る音が高い音になるね。
はるか

モノコードの音の高低

Haru_You
理科ではモノコードという1本の弦をはった楽器を使って、弦をさまざまに張り替えることで音の高低を実験するんだ。
どんな弦を張れば高い音がでると思う？

うーん、たくさん振動する弦って･･･？
はるか

Haru_You
高い音が出る、すなわち振動数が多くなるのは、短い弦、細い弦、強く張った弦だよ。これはしっかり覚えておいてね。

うーん、たくさん振動する弦って･･･？
はるか

Haru_You
高い音が出る、すなわち振動数が多くなるのは、短い弦、細い弦、強く張った弦だよ。これはしっかり覚えておいてね。

じゃあ逆にいうと長い弦、太い弦、弱く張った弦なら低い音になるんだね。
はるか

Haru_You
そうだね。さらにいうと、弦の長さ・太さが2倍、3倍･･･になると振動数は2分の1、3分の1･･･になり、弦を張る強さ（弦にかけるおもりの重さ）を(2×2=)4倍、(3×3)=9倍･･･にすると振動数は2倍、3倍･･･になるんだよ。

じゃあ、長さを長くして太さを補足するみたいに、条件を変えても同じ高さの音が出せるんだ。
はるか


Haru_You
この表のように、長さや太さ、おもりの重さを変えて同じ振動数（同じ高さの音）をつくったり、振動数を計算したりする問題ができるね。

楽器と音の高低

そういえば鉄琴は長い板だと低い音が出て、短い板だと高い音が出るよね。
あれもモノコードと同じことなのかな。
はるか

Haru_You
そうだね、モノコードと同じように長い方が低い音、短い方が高い音だ。
グランドピアノの形も左側（低音）が長くて右側（高音）が短いよね。
リコーダーはどうかな？

えーと、指で穴を全部ふさぐと低音で、ふさがないと高音だけど･･･。
これはモノコードの性質と関係あるのかな？
はるか

Haru_You
リコーダーの場合、振動するのは気柱（筒内の空気）だからね。
穴をふさぐと気柱が長くなるから低い音になるんだ。
これと同じ理屈なのが水を入れた試験管を吹いて音を出すときだね。

水筒やペットボトルでも、飲み口のところ吹くと音が出るよね。
はるか

Haru_You
試験管を吹いて音を出すときは、水が多い＝気柱が短いと高い音になるんだ。
でも、その試験管を叩いて音を出すときは、水が少ない＝軽くて振動しやすいほうが高い音になるんだよ。

音の三要素(2)

音の大小

Haru_You
次に音の大小（強弱）だけど、振幅（しんぷく）という音の波の上下の幅で決まるんだ。
振幅が大きいと大きい音に、振幅が小さいと小さい音になるよ。

じゃあ、モノコードで大きい音を出す、振幅を大きくするにはどうしたらいいのかな?
はるか

Haru_You
当然、強く弦をはじけば振幅が大きく、大きい音になるんだ。
打楽器なんかも、強く叩けば振幅が大きくなって大きい音になるよね。

音色

Haru_You
最後に音色についてだけど、音色は、波形という音の波の形のちがいで決まるんだ。
オシロスコープという機械を通すと、音色ごとに波形が違うのが見てわかるんだよ。

ピアノにはピアノの、リコーダーにはリコーダーの波形があるんだね。
同じ振動数や振幅でも、波形が異なれば違う音になるってことだね。
はるか

Haru_You
図にあるようなきれいな波形を作ることができる器具を音叉（おんさ）といって、楽器の音を調律するのに使われているよ。

音と光の速さ

Haru_You
音と光にはいくつか共通する性質もあるので、それを見ていこう。
まずは速さなんだけど、これは光のほうが速いのはわかるかな。

遠くに落ちた雷や打ちあげ花火なんか、光が見えてから数秒後にドーンって音が聞こえるから、光のほうが速いってことだよね。
はるか

Haru_You
そうだね、光の速さは秒速30万km、1秒間に地球を7周半する速さだ。

そんな速いと、理科の実験の規模じゃ計算しようがないよね。
はるか

Haru_You
うん、だから理科の問題では光が届くまでにかかる時間は計算しないでいいんだ。
一方、音の速さはおよそ秒速340mなんだ。
細かくいうと、気温がt℃のときに331+0.6×t（m/秒）という値になるね。

じゃあ、雷や花火が見えてから音が聞こえるまでの時間を計れば、その雷や花火の場所までの距離がわかるんだ。
はるか

Haru_You
そうだね、たとえば雷の光が見えて5秒後に音が聞こえて･･･なんてときは340×5=1700mくらい離れている、なんて計算ができるよ。

反射する音についての計算

反射する音を止まって待つ場合

Haru_You
では、音速を使った計算問題をとりあげてみよう。
まずは、海上に止まった船から、離れた岸壁に向かって汽笛を鳴らしたら何秒後に音がはね返ってくるかという問題だ。

音速が340m/秒で、距離が1700mなんだから、1700÷340＝5秒じゃないの？
はるか

Haru_You
いや、「反射した音」が帰ってくるためには、岸壁までの距離を往復しなければならないんだよ。
反射した音は片道の距離の2倍を進んでくるってことだね。
だから、1700×2÷340＝10秒後、になるんだ。

そっか、反射するってことは往復するって考えないといけないんだね。
はるか

反射する音に向かって進む場合

Haru_You
次は、汽笛を鳴らした船が岸壁に近づいていく場合を考えようか。

船が近づいていくってことは、はね返って戻ってくる距離は少し短くなるはずだよね。
だけど、その船が進む距離や時間がわからないしなあ。
はるか

Haru_You
この場合は、旅人算を使って考えるんだ。
図のように船と音が向かい合って進む形になるから、船の速さと音の速さの和を使って計算するんだよ。
ということで、1400×2÷（340＋10）＝8秒後、がここの例題の答えだね。

じゃあ、逆に岸壁から遠ざかるように船が進んでいたら、速さの差を使って計算するってことだよね。
はるか

Haru_You
そうだね。
また、汽笛を鳴らし続けた場合、岸壁に近づいていくならば、反射した音は鳴らした時間より短くなってしまうし、遠ざかっていくときは鳴らした時間より長くなるんだよ。
それが例題の3問目だね。

音と光の共通点・相違点

音と光の共通点

Haru_You
音は光と同じように反射するのはわかるかな？

山で大きい声だすとやまびこになって帰ってくるやつだね。
はるか

Haru_You
うん、やまびことか、こだま、とか、トンネルの中で音が響くのも音の反射によるものだね。
反射だけじゃなく、音は屈折もするんだ。
夜中に遠くの電車の音が聞こえるのは温度差による屈折のためなんだよ。

音と光の相違点

じゃあ逆に、音と光で違う点ってなにかある？
はるか

Haru_You
違う点が2つあるね。
まず1つは音は真空中で伝わらないけど、光は真空中でも伝わること。

そっか、太陽の光は真空の宇宙空間を伝わってきているんだもんね。
はるか

Haru_You
もう1つが音は不透明なものの中でも伝わるけど、光は不透明なものの中を伝わらないことだ。

光は遮られると影になるけど、音は遮ったものを振動させて向こう側まで届くもんね。
はるか

ドップラー効果

Haru_You
音と光に共通してある性質として、もう1つ有名なのが「ドップラー効果」だね。

なにそれ？
はるか

Haru_You
救急車のサイレンみたいに音源が動いている場合に起こるんだけど、音源が自分に近づいてくるときは音速＋音源の速さで伝わるから、実際の音の周波数よりも振動が速くなるんだ。
だから近づいてくる救急車のサイレンは通常より高い音になって聞こえる。
逆に遠ざかるときは音速－音源の速さだから振動が遅くなって、遠ざかる救急車のサイレンは低い音になって聞こえるわけだね。

サイレンの音が変わって聞こえる現象をドップラー効果っていうのね。
光でも光源が動いていたら見え方が変わるの？
はるか

Haru_You
まあ、光の速さに影響を与えるほど速く動くものは身近にはないから簡単に観測できる現象じゃないんだけど、光源が遠ざかるときは波長の大きい赤い光に変化して見えるんだ。
宇宙の端っこを観測すると光が赤方偏移しているから、宇宙は現在も拡大しているっていわれているんだよ。

音の性質 　一問一答演習問題プリント

演習プリントには、Excelファイル版とPDFファイル版があります。
Excelファイル版はリロード・再計算（F8）するたびに数字や配列が変わります。
マクロは使用していませんので、セキュリティ警告はありません。
なお、PDF版では20問の収録ですが、Excel版にはより多くの問題を収録しています。
はるか

音の性質

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はるか