Номер 589, страница 88 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Механические волны. Звук. Механические колебания и волны. Звук - номер 589, страница 88.

589. Игрушечный телефон состоит из двух коробок, соединённых натянутой нитью или проволокой (рис. 117). Такое устройство позволяет переговариваться тихим голосом и даже шёпотом на расстоянии в несколько десятков метров. Объясните явление.

Рис. 117

Работа игрушечного телефона основана на явлении распространения звуковых колебаний в твердой среде (нити или проволоке), которое для направленной передачи звука на расстояние является более эффективным, чем распространение в газообразной среде (воздухе).

Процесс передачи звука можно разбить на несколько этапов:
1. Когда говорящий произносит слова в одну из коробок, звуковые волны, созданные его голосом, заставляют колебаться дно этой коробки, которое выступает в роли мембраны-приемника.
2. Поскольку нить прикреплена к центру дна, эти механические колебания передаются ей.
3. Колебания распространяются вдоль натянутой нити в виде продольных упругих волн.
4. Достигнув второй коробки, волны заставляют вибрировать её дно.
5. Колеблющееся дно второй коробки, в свою очередь, создает звуковые волны в воздухе внутри неё. Эти звуковые волны и воспринимает ухо слушателя.

Ключевая причина, по которой такое устройство работает даже для тихого голоса и на большом расстоянии, заключается в способе распространения энергии. Когда звук распространяется в открытом воздухе, его энергия рассеивается во всех направлениях, и интенсивность звука ослабевает очень быстро (обратно пропорционально квадрату расстояния, $I \sim 1/r^2$). В игрушечном телефоне звуковая энергия концентрируется и передается направленно вдоль одномерной среды – нити. Потери энергии при этом значительно меньше, они связаны в основном с внутренним трением в материале нити и затуханием колебаний. Поэтому звук доходит до слушателя гораздо более громким, чем если бы он просто распространялся по воздуху.

Для работы устройства необходимо, чтобы нить была хорошо натянута, так как в провисшей нити колебания будут быстро затухать и не смогут эффективно передаваться.

Ответ: Явление объясняется тем, что звуковые колебания от голоса преобразуются в механические вибрации дна коробки, которые затем передаются по натянутой нити в виде упругих волн ко второй коробке. Вторая коробка преобразует эти вибрации обратно в звук. Передача звука по твердому телу (нити) происходит с гораздо меньшими потерями энергии, чем по воздуху, так как энергия не рассеивается в пространстве, а распространяется направленно.