Номер 4, страница 149 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

4*. Почему скорость звука неодинакова в различных средах?

4*. Скорость звука неодинакова в различных средах, потому что она напрямую зависит от физических свойств самой среды, в которой распространяются звуковые волны. Звук — это механическая волна, представляющая собой распространение колебаний частиц. Скорость этого распространения определяется двумя ключевыми параметрами среды: её упругостью и плотностью.

1. Упругость — это свойство материала сопротивляться деформации и возвращаться в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия. В более упругой среде силы межмолекулярного взаимодействия сильнее. Поэтому, когда одна частица смещается, она быстрее передаёт энергию соседней частице, заставляя её колебаться. Таким образом, чем выше упругость среды, тем выше скорость звука.

2. Плотность — это масса вещества на единицу объёма. Чем больше плотность среды, тем больше масса её частиц. Более массивные частицы обладают большей инертностью, то есть их труднее сдвинуть с места и заставить колебаться. Следовательно, в более плотных средах передача колебаний происходит медленнее. Таким образом, чем выше плотность, тем ниже скорость звука (при одинаковой упругости).

Общая зависимость скорости звука $v$ от модуля упругости среды $K$ и её плотности $\rho$ описывается формулой:

$v = \sqrt{\frac{K}{\rho}}$

Сравним различные агрегатные состояния вещества:

Газы (например, воздух): Частицы находятся далеко друг от друга, силы взаимодействия слабы, поэтому газы легко сжимаемы (низкая упругость). Плотность газов также мала. В итоге скорость звука в газах самая низкая (около $343$ м/с в воздухе при 20°C).

Жидкости (например, вода): Частицы расположены гораздо ближе, чем в газах. Жидкости очень плохо сжимаемы, что говорит об их высокой упругости. Хотя их плотность значительно выше, чем у газов, увеличение упругости оказывается решающим фактором. Поэтому скорость звука в жидкостях существенно выше (около $1500$ м/с в воде).

Твёрдые тела (например, сталь): Атомы или молекулы жёстко связаны в кристаллической решётке, что обеспечивает очень высокую упругость. Несмотря на то, что твёрдые тела, как правило, самые плотные, их модуль упругости настолько велик, что скорость звука в них максимальна (около $5000-6000$ м/с в стали).

Таким образом, именно различие в соотношении упругости и плотности для газов, жидкостей и твёрдых тел является причиной того, что скорость звука в них неодинакова.

Ответ: Скорость звука зависит от упругости и плотности среды. Упругость определяет, насколько быстро частицы передают колебания друг другу, а плотность характеризует их инертность. Так как разные среды (газы, жидкости, твёрдые тела) обладают различным сочетанием упругости и плотности, скорость звука в них различна. В общем случае, скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях, а в жидкостях — больше, чем в газах.