Страница 151 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Если по краю стакана, наполовину наполненного водой, провести смычком, то на воде появляются мелкие волны. Объясните явление.

1. Решение:

Это явление — наглядный пример вынужденных колебаний и резонанса. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Возбуждение колебаний. Когда смычок движется по краю стакана, между ними возникает сила трения. Эта сила действует прерывисто (так называемый "stick-slip" эффект, или эффект прилипания-проскальзывания), заставляя стенки стакана очень быстро вибрировать. Смычок в данном случае является источником вынуждающей силы.
2. Колебания стакана. Стакан, как любое упругое тело, имеет свои собственные (резонансные) частоты. Под действием смычка он начинает вибрировать с одной из этих частот. Эти вибрации стенок стакана мы также можем воспринимать как звук определенной высоты.
3. Передача колебаний воде. Поскольку вода находится в непосредственном контакте со стенками стакана, их вибрации передаются частицам воды. Слои воды, прилегающие к стенкам, начинают колебаться с той же частотой, что и сам стакан.
4. Образование волн на поверхности. Колебания от стенок распространяются по всему объему воды и достигают ее свободной поверхности. В результате на поверхности воды возникают волны, которые мы видим как мелкую рябь. Если частота колебаний совпадает с одной из собственных частот колебательной системы "стакан-вода", наступает резонанс, и на поверхности образуются стоячие волны с четко выраженным узором из гребней и впадин.

Таким образом, волны на воде являются визуализацией механических колебаний, которые смычок создает в стенках стакана, а те, в свою очередь, передают воде.

Ответ: Появление мелких волн на воде объясняется тем, что смычок вызывает вибрацию (колебания) стенок стакана. Эти колебания передаются воде, находящейся в стакане, и проявляются в виде волн на ее поверхности.

2. Почему изданный звук с течением времени исчезает?

Изданный звук с течением времени исчезает, потому что звуковая волна, распространяясь в пространстве, постепенно теряет свою энергию. Этот процесс называется затуханием звука и обусловлен совокупностью нескольких физических явлений.

Во-первых, по мере удаления от источника энергия звуковой волны распределяется на всё большую площадь. В однородной среде, такой как воздух, звук распространяется сферически. Площадь поверхности этой сферы растёт пропорционально квадрату расстояния от источника ($S = 4\pi r^2$). Это означает, что интенсивность звука (энергия, проходящая через единицу площади в секунду) убывает с расстоянием. Именно поэтому звук становится тише, когда мы отходим от его источника.

Во-вторых, происходит поглощение энергии самой средой распространения. Звук — это механические колебания частиц (например, молекул воздуха). При передаче колебаний от частицы к частице часть механической энергии из-за вязкости (внутреннего трения) и теплопроводности среды переходит во внутреннюю энергию, то есть в тепло. Этот процесс необратим, и он приводит к постепенному ослаблению волны.

В-третьих, звуковая волна может рассеиваться и отражаться от различных препятствий на своём пути, таких как стены, мебель, деревья, а также от неоднородностей в самой среде (например, турбулентных потоков воздуха). Каждое отражение и рассеяние изменяет направление распространения волны и приводит к потере части её энергии, что также способствует затуханию.

В результате совместного действия этих факторов амплитуда звуковой волны непрерывно уменьшается. Громкость звука, которую мы воспринимаем, напрямую зависит от амплитуды и интенсивности волны. Когда амплитуда падает ниже порога слышимости человеческого уха, звук для нас исчезает.

Ответ: Изданный звук исчезает со временем из-за затухания — процесса потери энергии звуковой волной при её распространении. Основными причинами затухания являются: распределение энергии волны на всё большую площадь по мере удаления от источника, поглощение энергии средой (превращение в тепло) и рассеяние звука на препятствиях и неоднородностях.

1. Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим, а летящей птицы — нет. Почему?

1. Это явление объясняется различием в частоте взмахов крыльев комара и птицы, а также диапазоном частот, которые способно воспринимать человеческое ухо.

Человеческое ухо может слышать звуки в диапазоне частот примерно от $20 \text{ Гц}$ до $20000 \text{ Гц}$. Звуковые колебания с частотой ниже $20 \text{ Гц}$ называются инфразвуком, а с частотой выше $20000 \text{ Гц}$ — ультразвуком. Ни инфразвук, ни ультразвук человек не слышит.

Комар совершает очень частые взмахи крыльями — от 500 до 1000 раз в секунду. Частота этих колебаний ($500-1000 \text{ Гц}$) попадает в диапазон слышимости человеческого уха. Поэтому мы воспринимаем эти колебания воздуха как характерный писк или жужжание.

Птицы, особенно средних и крупных размеров (например, голубь или ворона), машут крыльями значительно реже. Частота их взмахов составляет всего несколько раз в секунду (например, $1-10 \text{ Гц}$). Такая частота находится ниже порога слышимости человека, в области инфразвука. Поэтому мы не слышим звук, создаваемый взмахами их крыльев, хотя можем слышать другие звуки, связанные с полетом, например, шелест перьев от трения о воздух.

Ответ: Мы слышим звук от взмахов крыльев комара, потому что частота этих взмахов (сотни герц) находится в пределах слышимого человеком диапазона. Частота взмахов крыльев птицы слишком низкая (несколько герц), она соответствует инфразвуку, который человеческое ухо не воспринимает.

2. Удар грома был услышан через 8 с после вспышки молнии. Считая скорость звука в воздухе при 0 °С равной 331 м/с, вычислите, на каком расстоянии от наблюдателя произошёл грозовой разряд.

Дано:

Время задержки между вспышкой молнии и раскатом грома, $t = 8$ с

Скорость звука в воздухе при 0 °C, $v = 331$ м/с

Все данные уже представлены в Международной системе единиц (СИ).

Найти:

Расстояние от наблюдателя до грозового разряда, $S$.

Решение:

Вспышка молнии и создаваемый ею звук (гром) возникают практически в один и тот же момент времени. Однако свет и звук распространяются с разной скоростью. Скорость света в воздухе составляет примерно $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с, что во много раз превышает скорость звука, которая по условию равна $v = 331$ м/с.

Из-за этой огромной разницы в скоростях, временем, за которое свет от вспышки достигает наблюдателя, можно пренебречь. Таким образом, наблюдаемая задержка $t$ — это время, которое потребовалось звуку, чтобы преодолеть расстояние $S$ от места удара молнии до наблюдателя.

Для расчёта расстояния при равномерном движении (считаем скорость звука постоянной) используется формула:

$S = v \cdot t$

где $S$ — искомое расстояние, $v$ — скорость звука, а $t$ — время распространения звука.

Подставим известные значения в формулу и произведём вычисления:

$S = 331 \, \frac{\text{м}}{\text{с}} \cdot 8 \, \text{с} = 2648 \, \text{м}$

При желании можно перевести это расстояние в километры: $2648 \text{ м} = 2,648 \text{ км}$.

Ответ: грозовой разряд произошёл на расстоянии $2648$ м от наблюдателя.