Страница 160 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

3. Какие тела лучше проводят звук — упругие или пористые? Приведите примеры упругих и пористых тел.

Какие тела лучше проводят звук — упругие или пористые?

Звук лучше проводят упругие тела. Звук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в среде. В упругих телах частицы (атомы, молекулы) расположены близко друг к другу и сильно связаны межмолекулярными силами. Когда звуковая волна достигает такого тела, она заставляет его частицы колебаться. Благодаря сильным связям эти колебания эффективно и с минимальными потерями передаются от одной частицы к другой, что обеспечивает хорошее распространение звука.

Напротив, пористые тела являются плохими проводниками звука. Их структура содержит множество пор и пустот, обычно заполненных воздухом. Когда звуковая волна попадает в пористый материал, её энергия расходуется на колебание воздуха в порах и на трение о стенки пор. Это приводит к быстрому затуханию звуковой волны и превращению звуковой энергии в тепловую. Именно поэтому пористые материалы (звукоизоляторы) используются для поглощения звука и шумоизоляции, а не для его проведения.

Например, звук отлично распространяется по металлическим рельсам или в воде, которые являются упругими средами. Если приложить ухо к одному концу длинной металлической балки, то стук по другому концу будет слышен очень четко. В то же время, если между источником звука и ухом находится стена из пористого материала, например, поролона, звук будет значительно ослаблен.

Ответ: Звук лучше проводят упругие тела, так как они эффективно передают колебания между частицами с минимальными потерями энергии.

Примеры упругих и пористых тел

Примеры упругих тел, хорошо проводящих звук:

• Металлы (сталь, железо, алюминий, медь). Пример: железнодорожные рельсы, по которым звук от поезда распространяется на многие километры.
• Стекло.
• Твердые пластмассы.
• Древесина (вдоль волокон). Пример: приложив ухо к деревянному столу, можно отчетливо услышать постукивание по другому его концу.
• Жидкости (например, вода). Звук в воде распространяется примерно в 4.5 раза быстрее, чем в воздухе.
• Камень, бетон.

Примеры пористых тел, плохо проводящих (хорошо поглощающих) звук:

• Пробка.
• Поролон, пенопласт.
• Минеральная вата, стекловата.
• Войлок, ковры, ткани.
• Пористый бетон, кирпич с пустотами.
• Сухой рыхлый снег.

Ответ: Примеры упругих тел: металлы, стекло, вода. Примеры пористых тел: поролон, пробка, минеральная вата.

4. Какую волну — продольную или поперечную — представляет собой звук, распространяющийся в воздухе; в воде?

4. Чтобы определить тип звуковой волны в различных средах, необходимо понять, как колеблются частицы этих сред при прохождении волны.

В продольных волнах колебания частиц среды происходят вдоль (параллельно) направления распространения волны. Они представляют собой чередование участков сжатия и разрежения среды.

В поперечных волнах колебания частиц происходят поперек (перпендикулярно) направлению распространения волны. Для их существования среда должна обладать упругостью формы, то есть сопротивляться деформации сдвига.

в воздухе:

Воздух является газом. Газы не имеют упругости формы и не сопротивляются сдвигу, но обладают упругостью объема. Поэтому в воздухе могут распространяться только волны сжатия и разрежения. Источник звука, колеблясь, создает в прилегающем слое воздуха попеременно повышенное и пониженное давление. Эти изменения давления передаются от слоя к слою, заставляя частицы воздуха колебаться вдоль направления распространения звука. Следовательно, звуковая волна в воздухе является продольной.

Ответ: в воздухе звук представляет собой продольную волну.

в воде:

Вода — это жидкость. Как и газы, жидкости в своем объеме обладают упругостью только при всестороннем сжатии и практически не сопротивляются деформации сдвига. Поэтому звуковые волны, распространяющиеся в толще воды, также являются продольными. Колебания молекул воды происходят вдоль направления, в котором распространяется звук. Важно не путать объемные звуковые волны с поверхностными волнами (например, рябью), которые могут иметь и поперечную составляющую, но это другой физический процесс.

Ответ: в воде звук представляет собой продольную волну.

5. Вопрос представлен не полностью, что не позволяет дать на него ответ.

5. Приведите пример, показывающий, что звуковая волна распространяется не мгновенно, а с определённой скоростью.

4. Звуковая волна, распространяющаяся как в воздухе, так и в воде, является продольной волной.

Это объясняется тем, что звук представляет собой механические колебания, которые передаются от частицы к частице в среде. В продольных волнах частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны, создавая чередующиеся области сжатия и разрежения.

Среды, подобные газам (воздух) и жидкостям (вода), не обладают значительной упругостью сдвига. Это означает, что они не могут эффективно передавать поперечные колебания, где частицы движутся перпендикулярно направлению волны. Поэтому в жидкостях и газах могут распространяться только продольные упругие волны.

Ответ: и в воздухе, и в воде звук представляет собой продольную волну.

5. Ярким примером, который показывает, что звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, является наблюдение за грозой.

Во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и только через некоторое время слышим раскаты грома. Молния (световое явление) и гром (звуковое явление) порождаются одним и тем же электрическим разрядом и возникают практически одновременно. Однако скорость света в воздухе огромна (около $c = 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}$), поэтому свет от вспышки доходит до нас почти мгновенно.

Скорость звука в воздухе намного меньше (около $v \approx 340 \text{ м/с}$ при нормальных условиях). Из-за этой разницы в скоростях звуку требуется заметное время, чтобы преодолеть расстояние от места удара молнии до наблюдателя. Именно эта задержка между вспышкой света и звуком грома доказывает, что звук имеет конечную, относительно невысокую скорость. Если бы звук распространялся мгновенно, мы бы слышали гром одновременно со вспышкой молнии.

Ответ: пример, показывающий конечную скорость распространения звука, — это явление грозы, когда мы видим вспышку молнии раньше, чем слышим звук грома.

1. Может ли звук сильного взрыва на Луне быть слышен на Земле? Ответ обоснуйте.

1. Звук сильного взрыва на Луне не может быть слышен на Земле. Это объясняется физической природой звука и свойствами космического пространства.

Звук представляет собой механическую волну, то есть колебания частиц упругой среды (например, воздуха, воды или твердого тела). Для распространения звуковой волне необходима среда, через которую эти колебания могут передаваться от источника к наблюдателю.

Пространство между Луной и Землей — это космос, который является практически полным вакуумом. В вакууме отсутствуют частицы вещества, которые могли бы служить средой для передачи звуковых колебаний. Таким образом, звуковая волна, возникшая на Луне, не сможет распространяться в безвоздушном пространстве.

Хотя сам взрыв мы могли бы увидеть (в виде вспышки света), поскольку свет — это электромагнитная волна и для его распространения среда не требуется, услышать его звук невозможно.

Ответ: Нет, звук сильного взрыва на Луне не может быть слышен на Земле. Причина в том, что звук является механической волной, для распространения которой необходима материальная среда, а пространство между Луной и Землей — вакуум, в котором звук не распространяется.

2. Если к каждому из концов нити привязать по одной половинке мыльницы, то с помощью такого телефона можно переговариваться даже шёпотом, находясь в разных комнатах. Объясните явление.

2. Решение

Описанное устройство, известное как "нитяной" или "баночный" телефон, работает благодаря передаче звуковых колебаний через твердое тело (натянутую нить). Это гораздо более эффективный способ передачи звука на расстояние, чем передача через воздух. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Преобразование звука в механические колебания. Когда человек говорит или шепчет в одну из половинок мыльницы, его голос создает звуковые волны — колебания частиц воздуха. Эти волны заставляют вибрировать дно мыльницы, которое действует как мембрана. Таким образом, энергия звуковых колебаний воздуха преобразуется в механические колебания твердого тела (мыльницы).

2. Передача колебаний по нити. Механические колебания от дна мыльницы передаются натянутой нити. Поскольку нить является твердым телом, звуковые колебания распространяются по ней с очень малыми потерями энергии. В отличие от этого, когда звук распространяется по воздуху, его энергия быстро рассеивается, так как звуковые волны расходятся во все стороны от источника. Интенсивность звука в воздухе убывает пропорционально квадрату расстояния ($I \propto 1/r^2$). В нити же волна распространяется практически в одном направлении, что позволяет сохранить ее энергию на гораздо большем расстоянии.

3. Обратное преобразование в звук. Достигнув другого конца, колебания нити заставляют вибрировать дно второй мыльницы. Эта вторая мыльница также работает как мембрана, но теперь в обратном направлении: она преобразует механические колебания обратно в звуковые волны, заставляя колебаться прилегающий к ней воздух.

4. Восприятие звука. Созданные второй мыльницей звуковые волны в воздухе достигают уха слушателя, который и слышит речь, произнесенную на другом конце.

Именно из-за значительно меньших потерь энергии при передаче звука через твердое тело (нить) по сравнению с воздухом, даже тихий шепот можно отчетливо услышать на расстоянии, находясь в разных комнатах. Важным условием работы такого телефона является то, что нить должна быть туго натянута и не должна касаться посторонних предметов, которые могли бы поглотить или рассеять энергию колебаний.

Ответ: Явление объясняется тем, что звук представляет собой механические колебания, которые гораздо эффективнее (с меньшими потерями энергии) передаются через твердые тела (натянутую нить), чем через газ (воздух). Мыльницы действуют как преобразователи: первая превращает звуковые волны в механические колебания нити, а вторая — обратно, механические колебания нити в звуковые волны, которые слышит ухо.

3. Определите скорость звука в воде, если источник, колеблющийся с периодом 0,002 с, возбуждает в воде волны длиной 2,9 м.

Дано:

Период колебаний источника, $T = 0,002 \text{ с}$

Длина волны, $\lambda = 2,9 \text{ м}$

Найти:

Скорость звука в воде, $v$

Решение:

Скорость распространения волны, длина волны и период колебаний являются основными характеристиками волнового процесса. Они связаны между собой фундаментальной формулой, которая описывает распространение любой волны. Скорость волны ($v$) — это расстояние, которое проходит волна (равное одной длине волны $\lambda$) за время, равное одному периоду колебаний ($T$).

Таким образом, для нахождения скорости звука в воде, мы можем использовать следующую формулу:

$v = \frac{\lambda}{T}$

Все данные в условии задачи представлены в системе СИ, поэтому перевод единиц не требуется. Подставим известные значения в формулу:

$v = \frac{2,9 \text{ м}}{0,002 \text{ с}}$

Теперь произведем вычисление:

$v = 1450 \text{ м/с}$

Ответ: скорость звука в воде составляет $1450 \text{ м/с}$.

4. Определите длину звуковой волны частотой 725 Гц в воздухе, в воде и в стекле.

Дано:

Частота звуковой волны: $ν = 725 \text{ Гц}$

Для решения задачи необходимо использовать справочные значения скорости распространения звука в различных средах. Эти значения могут незначительно варьироваться в зависимости от условий (температуры, давления, состава вещества). Мы будем использовать общепринятые средние значения:

Скорость звука в воздухе (при 20 °C): $v_{воздух} \approx 343 \text{ м/с}$

Скорость звука в воде (пресной, при 20 °C): $v_{вода} \approx 1480 \text{ м/с}$

Скорость звука в стекле (зависит от типа): $v_{стекло} \approx 5000 \text{ м/с}$

Найти:

Длину волны в воздухе ($λ_{воздух}$), в воде ($λ_{вода}$) и в стекле ($λ_{стекло}$).

Решение:

Длина волны ($λ$) связана со скоростью ее распространения в среде ($v$) и частотой ($ν$) фундаментальным соотношением для волн:

$λ = \frac{v}{ν}$

Важно помнить, что при переходе волны из одной среды в другую ее частота ($ν$) остается неизменной, так как она определяется источником колебаний. Меняются только скорость распространения ($v$) и, как следствие, длина волны ($λ$).

Мы последовательно рассчитаем длину волны для каждой из трех сред, используя соответствующую скорость звука.

в воздухе

Рассчитаем длину звуковой волны в воздухе:

$λ_{воздух} = \frac{v_{воздух}}{ν} = \frac{343 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 0,4731 \text{ м}$

Округляя до сотых, получаем 0,47 м.

Ответ: длина звуковой волны в воздухе составляет примерно 0,47 м.

в воде

Рассчитаем длину звуковой волны в воде:

$λ_{вода} = \frac{v_{вода}}{ν} = \frac{1480 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 2,0414 \text{ м}$

Округляя до сотых, получаем 2,04 м.

Ответ: длина звуковой волны в воде составляет примерно 2,04 м.

и в стекле

Рассчитаем длину звуковой волны в стекле:

$λ_{стекло} = \frac{v_{стекло}}{ν} = \frac{5000 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 6,8966 \text{ м}$

Округляя до сотых, получаем 6,90 м.

Ответ: длина звуковой волны в стекле составляет примерно 6,90 м.

5. По одному концу длинной металлической трубы один раз ударили молотком. Объясните, почему у другого конца трубы был слышен двойной удар.

5. Явление двойного удара объясняется тем, что звук, возникший от удара молотком по одному концу трубы, распространяется до другого конца по двум различным средам: по самому металлу трубы (твёрдое тело) и по воздуху, находящемуся внутри трубы (газ).

Скорость распространения звука существенно зависит от свойств среды. В твёрдых телах, таких как металл, звук распространяется гораздо быстрее, чем в газах. Для сравнения, скорость звука в стали составляет примерно $5000-6000$ м/с, в то время как скорость звука в воздухе при комнатной температуре составляет около $343$ м/с.

Поскольку труба длинная, разница во времени, за которое звуковые волны проходят одно и то же расстояние по разным средам, становится заметной для человеческого уха. Звуковая волна, распространяющаяся по металлу, достигает уха наблюдателя первой. Спустя некоторое время доходит и вторая звуковая волна, которая распространялась медленнее по воздуху внутри трубы. В результате один удар воспринимается как два последовательных звука.

Ответ: Двойной удар слышен из-за того, что звук от удара распространяется до наблюдателя по двум средам с разной скоростью: быстрее по металлу трубы и медленнее по воздуху внутри нее. Звук, прошедший по металлу, приходит первым, а звук, прошедший по воздуху, — вторым, что и создает эффект двойного удара.

6. Наблюдатель, стоящий около прямолинейного участка железной дороги, увидел пар над свистком идущего вдали паровоза. Через 2 с после появления пара он услышал звук свистка, а через 34 с паровоз прошёл мимо наблюдателя. Определите скорость движения паровоза.

Дано:

$t_1 = 2 \text{ с}$ (время, через которое был услышан звук после вида пара)

$t_2 = 34 \text{ с}$ (время, через которое паровоз проехал мимо наблюдателя после вида пара)

$v_з \approx 340 \text{ м/с}$ (скорость звука в воздухе, принимается как справочное значение)

Найти:

$v_п$ — скорость движения паровоза

Решение:

Пусть $S$ — это расстояние от наблюдателя до паровоза в тот момент, когда был выпущен пар и дан свисток.

Свет от пара доходит до наблюдателя практически мгновенно, так как скорость света очень велика. Поэтому момент, когда наблюдатель увидел пар, мы можем принять за начало отсчета времени ($t=0$).

Звук от свистка распространяется со скоростью звука $v_з$ и достигает наблюдателя за время $t_1$. Расстояние $S$, которое прошел звук, можно найти по формуле:

$S = v_з \cdot t_1$

Паровоз, движущийся навстречу наблюдателю с постоянной скоростью $v_п$, проходит то же самое расстояние $S$ за время $t_2$. Время $t_2$ измеряется с того же момента появления пара. Следовательно, это расстояние можно также выразить как:

$S = v_п \cdot t_2$

Так как левые части уравнений равны (расстояние $S$ одно и то же), мы можем приравнять их правые части:

$v_п \cdot t_2 = v_з \cdot t_1$

Из этого уравнения выразим искомую скорость паровоза $v_п$:

$v_п = \frac{v_з \cdot t_1}{t_2}$

Подставим числовые значения в формулу, приняв скорость звука в воздухе $v_з$ равной $340 \text{ м/с}$:

$v_п = \frac{340 \text{ м/с} \cdot 2 \text{ с}}{34 \text{ с}} = \frac{680}{34} \text{ м/с} = 20 \text{ м/с}$

Ответ: скорость движения паровоза равна 20 м/с.