물리학 고3 탄성파와 소리

진폭·파장·진동수·주기

파동을 특징짓는 물리량인 진폭(A), 파장(λ), 진동수(f), 주기(T=1/f)를 파동 그래프에서 읽고 계산한다.
파동을 특징짓는 네 물리량으로, 진폭 는 진동의 크기, 파장 는 한 파동의 길이, 진동수 는 1초당 진동 횟수, 주기 는 한 번 진동에 걸리는 시간입니다.
파장은 '자로 재는 값'이고 주기는 '초시계로 재는 값'입니다. 이름이 비슷해 보여도 하나는 공간에서, 하나는 시간에서 잰다는 점이 다릅니다.

쉽게 말하면

파동의 성질에서 본 를 실제로 쓰려면, 문제에 나오는 그래프에서 이 값들을 정확히 읽어 낼 수 있어야 합니다. 그런데 파동 그래프는 두 종류가 있고, 이것을 구별하지 못하면 파장과 주기를 뒤바꿔 읽게 됩니다.

변위–위치 그래프()는 어느 한 순간에 파동을 사진 찍은 것입니다. 가로축이 위치(m)이므로, 여기서 마루와 마루 사이의 거리를 재면 파장 입니다. 이 그래프에서는 주기를 읽을 수 없습니다.

변위–시간 그래프()는 한 지점에 카메라를 고정하고 그 자리의 매질 입자가 시간에 따라 어떻게 움직이는지 기록한 것입니다. 가로축이 시간(s)이므로, 마루와 마루 사이의 간격은 주기 입니다. 이 그래프에서는 파장을 읽을 수 없습니다.

두 그래프에서 공통으로 읽을 수 있는 것은 진폭 하나뿐입니다. 세로축의 최댓값, 즉 평형 위치에서 마루까지의 높이입니다. 마루에서 골까지의 거리가 아니라 그 절반임에 주의하세요.

진동수는 주기의 역수입니다.

즉 파장은 위치 그래프에서, 주기는 시간 그래프에서 뽑아 두 그래프의 정보를 합쳐야 속력이 구해집니다. 문제가 두 그래프를 함께 주는 이유가 여기 있습니다.

이렇게 나타납니다

  1. 예시 1
    두 그래프로 파동의 속력 구하기
    속력을 구하려면 반드시 두 그래프가 모두 필요합니다. 하나만으로는 중 하나밖에 알 수 없습니다.
  2. 예시 2
    마루에서 골까지가 일 때 진폭
    진폭은 평형 위치를 기준으로 잰 최대 변위입니다. 마루에서 골까지의 세로 거리는 진폭의 2배이므로 반으로 나눠야 합니다.
  3. 예시 3
    이웃한 마루와 골 사이의 수평 거리
    마루에서 골까지는 한 파장의 절반만큼 떨어져 있습니다. 마루에서 다음 마루까지가 한 파장이므로, 그 사이에 골이 정확히 가운데 놓입니다.

순서대로 하면

파동 그래프에서 값을 읽는 순서
  1. 1가로축의 단위를 먼저 봅니다. m이면 위치 그래프, s이면 시간 그래프입니다. 이것을 확인하기 전에는 아무것도 읽지 않습니다.
  2. 2위치 그래프라면 같은 위상끼리(마루~마루, 골~골)의 가로 간격을 재서 로 씁니다.
  3. 3시간 그래프라면 같은 간격을 재서 로 쓰고, 를 구합니다.
  4. 4세로축에서 평형선부터 마루까지의 높이를 로 씁니다.
  5. 5로 속력을 구합니다 — 가 서로 다른 그래프에서 왔는지 확인합니다.

변위–위치 그래프 vs 변위–시간 그래프

구분변위–위치()변위–시간()
무엇을 보여 주나한 순간에 찍은 파동 전체의 사진한 지점의 움직임을 기록한 영상
가로축 단위m (거리)s (시간)
가로로 읽는 값파장 주기
세로로 읽는 값진폭 진폭
읽을 수 없는 값주기·진동수파장

자주 하는 오해

변위–시간 그래프의 가로 간격을 파장으로 읽기
이렇게 생각하기 쉬움그래프가 파도 모양이니까 마루와 마루 사이가 파장이다
실제로는가로축이 시간(s)이면 그 간격은 주기 입니다. 파장은 이 그래프에 아예 나타나지 않습니다.
두 그래프는 생김새가 똑같은 사인 곡선이라 축을 보지 않으면 구분할 수 없습니다. 시간 그래프는 매질 입자 한 개의 위아래 움직임을 그린 것이지 파동의 모양을 그린 것이 아닙니다. 축의 단위를 먼저 보는 습관이 이 실수를 없앱니다.
진폭을 마루에서 골까지의 거리로 잡기
이렇게 생각하기 쉬움위로 5, 아래로 5 흔들리니까 진폭은 10이다
실제로는진폭은 평형 위치에서 마루까지, 즉 5입니다.
진폭은 '평형 위치에서 얼마나 벗어나는가'의 최댓값입니다. 마루에서 골까지의 거리는 진폭의 2배이므로, 그래프에서 위아래 폭을 통째로 읽었다면 반으로 나누어야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

파동의 성질고3

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같은 단원의 개념 — 탄성파와 소리

공명과 맥놀이고3단순 조화 운동고3단진자고3도플러 효과고3용수철 진자고3음파와 소리고3정상파와 공명고3파동의 간섭과 회절고3파동의 반사·굴절·전반사고3파동의 성질고3편광고3횡파와 종파고3

자주 묻는 질문

Q1진동수와 주기 중 무엇을 기준으로 생각하는 게 좋나요?
둘은 완전히 같은 정보를 담은 역수 관계()입니다. 소리의 높낮이처럼 '1초에 몇 번'이 중요할 때는 진동수, 진자나 파동의 한 번 왕복을 볼 때는 주기가 다루기 편합니다. 계산에서는 단위가 맞는 쪽을 고르면 됩니다.
Q2진폭이 커지면 진동수도 커지나요?
아닙니다. 서로 독립입니다. 소리로 비유하면 진폭은 크기(세기), 진동수는 높낮이입니다. 같은 음을 더 크게 부를 수 있듯이, 진폭만 키우고 진동수는 그대로 둘 수 있습니다.
Q3는 정확히 무슨 뜻인가요?
1초에 한 번 진동한다는 뜻이고, 그러면 주기는 1초입니다. 이면 1초에 100번 진동하므로 한 번에 가 걸립니다. 진동수가 커질수록 주기는 짧아집니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 탄성파와 소리 수록 기본 (교육과정 단원)

같은 , 를 갖더라도 진동 방향이 다르면 성질이 달라집니다. 횡파와 종파에서 그 차이를 확인해 보세요.

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