Номер 6, страница 155 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

6. Исследование распространения звука в разных средах.

Решение

Что такое звук и как он распространяется?

Звук — это механическая упругая волна, распространяющаяся в среде (газообразной, жидкой, твердой) и создающая субъективное ощущение у живых существ через органы слуха. Для распространения звука обязательно наличие упругой среды. Частицы этой среды (молекулы, атомы) начинают колебаться около своих положений равновесия под действием источника звука. Эти колебания передаются от одной частицы к другой, создавая области повышенного давления (сжатия) и пониженного давления (разрежения), которые и перемещаются в пространстве в виде волны. Важно, что сами частицы среды не перемещаются вместе с волной, а лишь колеблются, передавая энергию.

Ответ: Звук — это колебания частиц упругой среды, которые передаются от частицы к частице, образуя волну сжатий и разрежений, распространяющуюся в пространстве.

Распространение звука в газах

В газах, например, в воздухе, молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют. Передача колебаний происходит за счет столкновений молекул. Из-за этого скорость звука в газах относительно невелика. Например, скорость звука в воздухе при нормальных условиях (температура 20 °C) составляет примерно 343 м/с. Скорость звука в газе сильно зависит от его температуры: с повышением температуры скорость увеличивается, так как молекулы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Зависимость от давления менее выражена, так как при изменении давления меняется и плотность, и их отношение, влияющее на скорость, остается почти постоянным при той же температуре.

Ответ: В газах звук распространяется медленно (в воздухе ~343 м/с) из-за большого расстояния между молекулами. Скорость звука в газе в основном зависит от его температуры.

Распространение звука в жидкостях

В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах. Хотя жидкости и могут течь, они обладают очень низкой сжимаемостью. Сильные межмолекулярные связи позволяют колебаниям передаваться значительно быстрее. Поэтому скорость звука в жидкостях существенно выше, чем в газах. Например, в пресной воде скорость звука составляет около 1500 м/с, что более чем в 4 раза быстрее, чем в воздухе. Скорость звука в воде зависит от температуры, давления (глубины) и солености (для морской воды).

Ответ: В жидкостях звук распространяется значительно быстрее, чем в газах (в воде ~1500 м/с), благодаря большей плотности и низкой сжимаемости среды.

Распространение звука в твердых телах

В твердых телах атомы или молекулы связаны в жесткую кристаллическую решетку (в большинстве случаев) и расположены очень близко друг к другу. Силы межмолекулярного взаимодействия здесь максимальны. Благодаря этой жесткой структуре колебания передаются от одного атома к другому очень быстро и эффективно. В результате скорость звука в твердых телах самая высокая. Например, в стали скорость звука может достигать 6000 м/с, а в алмазе — до 12000 м/с. Это свойство используется, например, при прослушивании приближающегося поезда, приложив ухо к рельсу: звук по металлу дойдет гораздо раньше, чем по воздуху.

Ответ: В твердых телах звук распространяется с самой высокой скоростью (в стали ~6000 м/с) из-за сильных межмолекулярных связей и жесткой структуры материала.

Почему звук не распространяется в вакууме?

Вакуум — это пространство, практически свободное от вещества. Поскольку звук является механической волной, для его распространения необходимы частицы среды, которые могли бы колебаться и передавать эти колебания дальше. В вакууме таких частиц нет. Следовательно, звуковая волна не может возникнуть и распространяться. Классическим доказательством этого является опыт с колоколом под стеклянным колпаком: пока под колпаком есть воздух, звук слышен; по мере откачивания воздуха звук становится все тише и в итоге полностью исчезает, хотя молоточек продолжает бить по колоколу.

Ответ: Звук не распространяется в вакууме, потому что там нет материальной среды (частиц), необходимой для передачи механических колебаний.

От чего зависит скорость звука? (Общая формула)

В общем виде скорость звука $v$ в любой среде определяется ее упругими свойствами и плотностью. Упругие свойства характеризуют способность среды сопротивляться деформации, а плотность — ее инертность. Формула имеет вид:

$v = \sqrt{\frac{\text{Модуль упругости}}{\text{Плотность}}}$

Для разных сред используются разные модули упругости:

• Для жидкостей и газов это модуль объемной упругости $K$: $v = \sqrt{K/\rho}$, где $\rho$ — плотность.
• Для твердых стержней это модуль Юнга $E$: $v = \sqrt{E/\rho}$.

Ответ: Скорость звука зависит от упругих свойств и плотности среды. Она выше в более упругих (жестких) и менее плотных средах. В общем случае $v \propto \sqrt{\text{упругость}/\text{плотность}}$.