【中三応援プログラム】弦のはじく大きさ、太さ、張る強さと音の高さ、気柱共鳴、水深（２０２１年大分）
２０２１年の大分県の音に関する問題である。
実験をするには、見通しを持って実験をする
ということが中学で求められている。
見通しを持つためには、実験では１つの条件だけを変えて他の条件は同じにするという考え方を持っているかというのを考えるということである。
また中学では弦をはじく実験しか行わない。
この実験をモノコードの実験というがモノコード自体も学校によってなかったりする。
そのため、自作のこの問題のようなものが登場する
そして、現在、各中学でオシロスコープを備えているところはないかもしれないし、中学の先生でもオシロスコープを使える人が少ないかもしれないがオシロスコープを見て答える問題が多い。
オシロスコープでなくても今、スマホのアプリでも同じようなことができるのでそのうち問題は変わるかもしれない。
動画で解説（福島）
2人は,ギターが出す音のちがいに疑問を持ち,「弦の振動のしかたによって音の大きさはどう変化 するのだろうか」という課題を設定し,次のように予想を立て,実験を行った。
【予想】「弦をはじく強さ」が強いほど,大きい音になる。
【実験】 1[図1] のように、輪ゴムを空き箱全体にかけ、割りばしを移動させて,弦の長さを変えられる自作のギターを用意した。
2「弦の長さ」
と「弦をはる強さ」と「弦の太さ」を一定にして,「弦をはじく強さ」が強いときと弱 いときで,音の大きさ,弦の動き,音の高さを調べた。
[表]は,その結果をまとめたものである。
II 「弦の振動のしかたによって音の高さはどう変化するのだろうか」という課題を設定し,次のように 予想を立てた。
【予想】
(i)「弦の太さ」が細いほど、高い音になる。
(ii)「弦の長さ」が短いほど、高い音になる。
音の性質
(1) 音の性質について述べた文として適切なものを,ア~エからすべて選び,記号を書きなさい。
ア ブザーを入れた容器の中の空気をぬいていくと,聞こえるブザーの音が大きくなっていく。
容器の中の空気が少なくなると音を伝える物質が少なくなるので音は小さくなる。
よって誤り
イ 遠くで打ち上げられた花火を観察すると、花火が見えた後に音が聞こえる。
音の速さは光の速さより小さいので、光が見えた後に音が伝わる。よって正しい
ウ 集音器は,小さな音や遠くの音を録音するために,反射板で音を反射させてマイクに集めている。
集音で音を集めるために音を反射させるので正しい
エ 音が伝わる速さは,固体の中よりも空気中の方が速い。
固体中の方が気体中よりも早いので誤り
よって答えはイウ
すべて選べという問題では２個以上を選ぶことが多い
はじく強さと音の高さ
(2) 次の文は,[表]の結果から考察したものである。1,2の問いに答えなさい。
弦を強くはじくと,弦の振動の幅が大きくなり,大きい音になるが,音の高さは変わらない。これは,ばちで太鼓の皮を強くたたくと,大きい音になるが,音の高さは変わらないことと同じだと気づいた。このことから, 【図2]のように,発泡ポリスチレン球を置いて太鼓の皮を強くたたくと,同じ場所を弱くたたくときに比べ, ( )と考えられる。
振動の幅
1 文中の下線部について,音源の振動の幅のことを何というか,書きなさい。
振幅
2 上の文章が正しい文になるように,( )に当てはまる語句として最も適当なものを,アーエから1つ選び, 記号を書きなさい。
ア 発泡ポリスチレン球が高く飛びはねるが,太鼓の皮が一定の時間に振動する回数は変わらない
イ発泡ポリスチレン球が高く飛びはね,太鼓の皮が一定の時間に振動する回数は多くなる ウ発泡ポリスチレン球の飛びはねる高さは低いが,太鼓の皮が一定の時間に振動する回数は変わらない
エ 発泡ポリスチレン球の飛びはねる高さは低くなり,太鼓の皮が一定の時間に振動する回数は少なくなる
発泡ポリスチレン級の飛び跳ねる高さと振動する回数を問う問題である。
振幅が大きいので飛び跳ねる高さは大きくなる
音の高さは同じということはシオン同数が同じなので振動する回数は同じ
アが正解
(3) 次の文は,IIの【予想】(i), (ii) を確かめる実験について検討しているときの2人の会話である。
会話文中の下線部の理由を、「太さ」「長さ」という2つの語句を用いて,解答欄の1行目の書き出しに続 けて書きなさい。
花子:【予想】(i)と(ii)は,どちらも高い音になることを調べたらよいから,はる強さを同じにした[図3]と[図4]の弦を,同じ強さではじいて,音の高さを比較することで,【予想】(i) と(ii) をまとめて確かめることができるのではないかな。
太郎:【予想】(i)と(ii) は,別々に確かめないといけないよ。
書き出し
「図３の方が図４より音が高くなったとしても」
弦の太さが細くなったから音が高くなったのか、弦の長さが短くなったから音が高くなったのか判断できないため
実験で比較するためには一つだけ条件を変えてそれ以外の条件は同じにする。
この場合は弦の太さが音の高さと関係するかどうかを調べるには減の長さを同じにする
弦の長さが関係するかどうかを調べるには減の強さを同じにする
太郎:図5のように, コップに水を入れていくと,コップから聞こえる音は,だんだん高い音になっていくよね。弦の振動のしかたと共通点があるのかな。
花子:IIの【予想】(ii)と関連付けて考えると,「コップの中の空気の部分の長さが短いほど,高い音になる」といえるのではないかしら。
新たな疑問が生じた2人は,それを解決するために,次の実験を行った。
III 「コップの中の空気の部分の長さと音の高さにはどのような関係があるのだろうか」という課題を設定し,次のように予想を立て,実験を行った。
【実験】
3 同じコップを2つ用意し,【図6] のように,片方に水を少し入れ、[図7] のように,もう一方には水を多く入れた。
4 それぞれのコップの上面にストローを使って同じ強さで息をふきかけた。このとき, コップから出る音の波 形を,[図8] のように,コンピュータのオシロスコー プで調べた。
周期と振動数
(4) IIIで,[図6] のコップから出る音の波形を模式的に表すと,[図9] のようになった。1,2の問いに答えなさい。
1 [図9] で,この音の振動数は何Hz か,求めなさい。ただし,グラフ [図9] この横軸の1目盛りは 0.0005 秒である。
一つの波の波長は８メモリ分である
１メモリが0.0005秒より、一波長にかかる時間は
0.0005秒✕８メモリ＝0.0040秒
これが周期になる 周期＝0.004＝
=250Hz
周期と音の高さ
2 IIIの【予想】が正しければ,[図7] のコップから出る音の波形はどの ようになると考えられるか。音の波形を模式的に表したものとして最も適当なものを,ア~エから1つ選び,記号を書きなさい。ただし,下の アーエのグラフの縦軸および横軸の1目盛りの大きさは,[図9] と同じ ものとする。
周期が短いほど振動数が大きく音が高い。周期が８メモリから４目盛りになっているウが答えになる
この実験は気柱共鳴の実験で高校の物理基礎の実験である。中学レベルではない。
高校入試に出していいものか疑問であるが、具体的な数字を求める問題ではなく減少としての問題なので出題されたのかもしれない。
海底の深さ
(5) [図 10]のように,漁業では,超音波の反射を利用して、魚の群れ の位置を調べている。船の底から発射した超音波が魚の群れにあたり, はね返って戻ってくるまでの時間が 0.04 秒であったとすると,船の 底と魚の群れとの距離は何mか,求めなさい。ただし,水中の音の速さは 1500 m/s とする。
考え方は山彦と同じである。
往復の距離＝音の速さ✕時間
往復の距離＝1500✕0.04＝60ｍ
距離は半分の３０ｍ
動画で解説（長野県）
