Номер 3, страница 11, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Звук. Параграф 63. Звуковые волны. Скорость звука. Вопросы и задания - номер 3, страница 11.

Условие.

3. От чего зависит скорость звука?

Решение.

Скорость звука — это скорость, с которой звуковые волны распространяются в среде. Она не является постоянной величиной и зависит от свойств среды, через которую проходит звук. Основные факторы, влияющие на скорость звука, следующие:

Свойства и агрегатное состояние среды

Это самый главный фактор. Скорость звука существенно различается в газах, жидкостях и твердых телах.

• В твердых телах скорость звука максимальна. Частицы в твердых телах расположены очень близко друг к другу и сильно связаны межмолекулярными силами. Благодаря этому колебания от одной частицы к другой передаются очень быстро. Например, в стали скорость звука составляет около 5000–6000 м/с.

• В жидкостях скорость звука меньше, чем в твердых телах, но значительно больше, чем в газах. Молекулы в жидкостях также находятся близко, но связи между ними слабее. Например, в воде при комнатной температуре скорость звука составляет около 1500 м/с.

• В газах скорость звука наименьшая. Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и слабо взаимодействуют, поэтому передача колебаний происходит медленнее. В воздухе при нормальных условиях ($20$°C) скорость звука равна примерно $343$ м/с.

Температура среды

С повышением температуры среды скорость звука в ней увеличивается. Это связано с тем, что при нагревании частицы вещества начинают двигаться быстрее, что приводит к более быстрой передаче энергии колебаний. Особенно заметна эта зависимость в газах.

Для идеального газа скорость звука $\text{v}$ прямо пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры $\text{T}$: $v \sim \sqrt{T}$.

Приблизительная формула для расчета скорости звука в воздухе в зависимости от температуры $\text{t}$ в градусах Цельсия:

$v \approx (331.3 + 0.606 \cdot t)$ м/с

Упругость и плотность среды

На фундаментальном уровне скорость звука определяется соотношением упругости и плотности среды. Упругость — это способность вещества сопротивляться деформации, а плотность — это масса на единицу объема.

Скорость звука $\text{v}$ можно рассчитать по формуле:

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

где $\text{K}$ — модуль упругости (для твердых тел — модуль Юнга, для жидкостей и газов — модуль объемной упругости), а $\rho$ — плотность среды.

Чем выше упругость (жесткость) среды и чем ниже ее плотность, тем выше скорость звука. Хотя твердые тела намного плотнее газов, их модуль упругости несоизмеримо выше, поэтому и скорость звука в них больше.

Химический состав среды

Для газов скорость звука также зависит от их химического состава, в частности, от молярной массы. В более легких газах (например, в водороде или гелии) скорость звука при той же температуре будет значительно выше, чем в тяжелых (например, в углекислом газе или фреоне). Это связано с тем, что молекулы легких газов при той же температуре движутся быстрее.

Важно отметить, что скорость звука в данной среде не зависит от характеристик самой звуковой волны, таких как ее частота (высота тона) или амплитуда (громкость).

Ответ: Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется: её агрегатного состояния (газ, жидкость, твердое тело), температуры, а также её упругости и плотности.