Номер 7.33, страница 41 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Механика. 7. Механические колебания и волны - номер 7.33, страница 41.

Условие.

7.33**. Почему изменяется голос человека в барокамере, заполненной дыхательной смесью из кислорода и гелия? Как изменится в этой атмосфере тон духовых инструментов? Камертона? Камертона на резонаторном ящике?

Решение.

Решение 2.

Почему изменяется голос человека в барокамере, заполненной дыхательной смесью из кислорода и гелия?

Изменение голоса связано с изменением тембра, а не основной высоты тона. Основная частота колебаний голосовых связок, определяющая высоту голоса, остается прежней, так как она зависит от их физических свойств (длины, натяжения, массы). Однако тембр голоса формируется в речевом тракте (глотка, ротовая и носовая полости), который действует как резонатор, усиливая одни частоты (форманты) и ослабляя другие.
Резонансные частоты речевого тракта прямо пропорциональны скорости звука в газе, заполняющем его. Скорость звука $\text{v}$ в газе определяется формулой: $v = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}$, где $\gamma$ — показатель адиабаты, $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная, $\text{T}$ — абсолютная температура, а $\text{M}$ — молярная масса газа.
Молярная масса гелия ($M_{He} \approx 4 \cdot 10^{-3}$ кг/моль) значительно меньше молярной массы воздуха ($M_{возд} \approx 29 \cdot 10^{-3}$ кг/моль). Поэтому скорость звука в гелиево-кислородной смеси намного выше, чем в обычном воздухе (примерно в 2-3 раза).
Из-за увеличения скорости звука все резонансные частоты речевого тракта смещаются в область более высоких частот. Это приводит к изменению тембра: голос становится писклявым, высоким и «мультяшным», хотя человек говорит или поет на той же ноте.
Ответ: Голос человека изменяется из-за того, что скорость звука в гелиево-кислородной смеси значительно выше, чем в воздухе. Это приводит к смещению резонансных частот речевого тракта вверх, что изменяет тембр голоса, делая его более высоким и писклявым, при этом основная частота колебаний голосовых связок не меняется.

Как изменится в этой атмосфере тон духовых инструментов?

Духовые инструменты (флейта, труба, кларнет и т.д.) создают звук за счет резонанса столба воздуха (или газа) внутри их корпуса. Высота тона (частота звука) определяется длиной этого столба и скоростью звука в газе. Для стоячей волны в трубе частота $\text{f}$ прямо пропорциональна скорости звука $\text{v}$. Например, для открытой с двух концов трубы основной тон имеет частоту $f = \frac{v}{2L}$, где $\text{L}$ — длина трубы.
Поскольку скорость звука в гелиево-кислородной смеси значительно выше, чем в воздухе, частота звука, издаваемого инструментом, также пропорционально возрастет.
Ответ: Тон духовых инструментов станет значительно выше. Они будут звучать на одну-две октавы выше, чем в обычной атмосфере.

Камертона?

Камертон является механическим осциллятором. Частота его колебаний определяется исключительно его физическими свойствами: материалом (модулем Юнга, плотностью), длиной и толщиной его ветвей. Эта частота практически не зависит от окружающей среды (газа). Газ лишь передает колебания от камертона к слушателю.
Ответ: Тон камертона не изменится. Он будет издавать звук той же частоты, что и в воздухе.

Камертона на резонаторном ящике?

Резонаторный ящик предназначен для усиления звука камертона. Усиление происходит за счет акустического резонанса: собственная частота колебаний воздуха в ящике настроена на частоту колебаний камертона.
Собственная частота колебаний воздуха в ящике, как и в духовых инструментах, прямо пропорциональна скорости звука в газе, который его заполняет. В гелиево-кислородной смеси скорость звука выше, поэтому собственная частота резонаторного ящика станет значительно выше частоты камертона.
Условие резонанса ($f_{камертона} \approx f_{ящика}$) нарушится. В результате ящик перестанет усиливать звук камертона.
Ответ: Тон (частота) звука, издаваемого камертоном, не изменится, но звук станет значительно тише, так как резонаторный ящик перестанет его усиливать из-за нарушения условия резонанса.