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2001年の科学リテラシー調査----解答14

2001年科学リテラシー調査』の解答です。

問題
『光と音はどちらが速いと思いますか。』


正解は、『光』です。


真空中での光の速さは、
     299792458m/秒(秒速30万km、1秒間に地球を7周半)

0℃1気圧、空気での音の速さは、
        331.45m/秒    です。

桁が6つ違います。

ここでは、光速、音速のそれぞれの測定条件による変化を簡単に見てみます。

まず、光速です。
光速は、真空中で最も速くなります。
ところが、物質中(例えば、ガラスや水中)では、遅くなります。
いくつか、具体的に表にまとめておきます。

       万km/秒      真空中を100としたときの値
真空       30            100
水中       22.5             75
ガラス      16~20           53~67
ダイヤモンド   12.4             41

このように伝わる物質(媒質といいます)によって速度が異なるため、光が例えば真空中からガラスに侵入するとき『屈折』という現象が起きるのです。
その速度差が大きいほど、大きく屈折します。
上の例では、ダイヤモンド中での光速が突出して遅いです。
このため、光が大きく屈折するので、ダイヤモンドは美しく見えるのです。
(実は、上の表の数値は、屈折率から逆算して求めた値です。)


次は、音速です。
空気中の場合、1気圧0℃で、331m/秒ですが、気圧が高いほど、温度が高いほど、早くなります。
また、気体分子が軽いほど、速くなります。
同じ力で押した場合、軽いほど速く動く(加速度が大きい)からです。
ヘリウムの重さは空気の約7%です。
そのため、ヘリウム中の音速は、1気圧0℃で、970m/秒となり、空気中の約3倍の速さになります。

みなさんの中には『声変わりガス』を使ったことがある方もいらっしゃるでしょう?
あのガスの正体はヘリウム(に、窒息しないよう酸素を混ぜたもの)です。
音速が空気中より速いため、声がまるでドナルドダックのように甲高くなるのです。
さて、音速が速くなると、音が高くなるのはなぜなのでしょうか?
ここでは、ヒントだけ示しておきます。

① ヘリウムを肺に吸い込み、声を出すと、声は通常より高くなります。
② ヘリウムを満たした部屋で、笛を吹くと、音は空気中より高くなります。
③ ヘリウムを満たした部屋で、ドラムを叩くと、音は空気中と同じ高さになります。

笛の音程が、どのように決まるのか? ということも一緒に考えてみて下さいね。

テーマ : 自然科学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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本名は麻生 隆。
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