Номер 5, страница 347 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 74. Звуковые волны. 13. Механические волны. Акустика. Молекулярная физика - номер 5, страница 347.

Условие.

5. Что можно сказать о соотношении скорости звука в твёрдом теле, в жидкости и газе?

Решение.

Решение

Скорость звука — это скорость распространения упругих волн в среде. Она зависит от упругих свойств и плотности среды, в которой распространяется звук. Соотношение скоростей звука в твёрдом теле, жидкости и газе в общем случае можно описать следующим образом: скорость звука в твёрдых телах, как правило, больше, чем в жидкостях, а в жидкостях — больше, чем в газах.

Это объясняется различиями в межмолекулярном взаимодействии и расстоянии между частицами в разных агрегатных состояниях вещества:

В твёрдых телах частицы (атомы или молекулы) расположены очень близко друг к другу и сильно связаны в кристаллической решётке. Эти связи действуют как жёсткие пружины. Когда одна частица начинает колебаться, она быстро передаёт это колебание соседним частицам. Благодаря высокой упругости (жёсткости) и плотной упаковке частиц, звуковые волны в твёрдых телах распространяются с наибольшей скоростью. Например, скорость звука в стали составляет около 5000-6000 м/с.

В жидкостях частицы также находятся близко друг к другу, но не имеют строгой упорядоченной структуры и могут перемещаться. Межмолекулярные связи слабее, чем в твёрдых телах. Из-за этого передача колебаний происходит менее эффективно и, следовательно, с меньшей скоростью. Например, скорость звука в воде при комнатной температуре составляет около 1500 м/с.

В газах расстояние между частицами очень большое по сравнению с их размерами, а силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы, за исключением моментов столкновений. Передача колебаний происходит только тогда, когда одна частица сталкивается с другой. Этот процесс значительно медленнее, чем в жидкостях и твёрдых телах. Например, скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

Обозначим скорость звука в твёрдом теле как $v_{тв}$, в жидкости — $v_{ж}$, и в газе — $v_{г}$. Таким образом, общее соотношение скоростей выглядит так:

$v_{тв} > v_{ж} > v_{г}$

Скорость звука в среде можно выразить через её упругие свойства (модуль упругости) и плотность. Например, для жидкости формула имеет вид $v = \sqrt{K/\rho}$, где $K$ — модуль объёмной упругости, а $\rho$ — плотность. Хотя плотность твёрдых тел и жидкостей выше, чем у газов, их модули упругости (показывающие, насколько среда сопротивляется деформации) намного больше, что и является определяющим фактором для высокой скорости звука.

Ответ: Как правило, скорость звука в твёрдых телах наибольшая, в жидкостях — меньше, а в газах — наименьшая ($v_{тв} > v_{ж} > v_{г}$).