Страница 175 - 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.

Данное явление можно объяснить в несколько этапов, в основе которых лежат механические колебания и их передача.

1. Возникновение колебаний. Когда по краю стакана проводят смычком, возникает сила трения. Волос смычка, обработанный канифолью, обладает высоким коэффициентом трения. При движении он периодически то сцепляется с кромкой стекла, то проскальзывает. Это прерывистое движение (stick-slip) создает периодическую силу, которая заставляет стенки стакана вибрировать. Это явление аналогично извлечению звука из скрипки или виолончели.

2. Резонанс. Каждый предмет, включая стеклянный стакан, имеет свои собственные, или резонансные, частоты колебаний. Если частота, с которой смычок заставляет вибрировать стакан, совпадает с одной из его резонансных частот, амплитуда колебаний стенок резко возрастает. Мы воспринимаем эти колебания воздуха как громкий и чистый звук.

3. Передача колебаний воде. Стакан, наполненный водой, представляет собой колебательную систему «стакан + вода». Вибрирующие стенки стакана находятся в непосредственном контакте с водой. Колеблясь, они толкают частицы воды и передают им свою энергию.

4. Образование волн. Энергия, переданная от стенок стакана воде, вызывает колебания частиц воды. Эти колебания распространяются от стенок по всему объему жидкости. На свободной поверхности воды эти колебания проявляются в виде мелких стоячих или бегущих волн (ряби). Рисунок этих волн часто бывает довольно сложным и симметричным, что отражает форму колебаний стенок самого стакана.

Таким образом, мелкие волны на воде — это видимое проявление механических колебаний, которые были вызваны смычком, усилены благодаря резонансу и переданы от стенок стакана к воде.

Ответ: Появление мелких волн на воде объясняется тем, что смычок вызывает вибрацию (колебания) стенок стакана. Эти колебания передаются воде, находящейся в стакане, заставляя её частицы также колебаться, что и проявляется на поверхности в виде волн. Явление становится особенно заметным при резонансе, когда частота воздействия смычка совпадает с собственной частотой колебаний системы «стакан-вода».

2. Почему изданный звук с течением времени исчезает?

Изданный звук с течением времени исчезает (затухает) по двум основным причинам, связанным с потерей энергии звуковой волны. Звук — это механическая волна, которая представляет собой распространение колебаний в упругой среде и несёт с собой энергию.

1. Геометрическое расхождение волны (распределение энергии).

Звук от источника в однородной среде распространяется во все стороны, образуя, как правило, сферическую волну. Энергия, которую несёт эта волна, с увеличением расстояния от источника распределяется по всё большей площади поверхности сферы. Интенсивность звука $I$ (мощность, приходящаяся на единицу площади) убывает обратно пропорционально квадрату расстояния $r$ от источника. Это описывается законом обратных квадратов: $I \sim \frac{1}{r^2}$ Это означает, что даже в идеальной среде без потерь громкость звука будет быстро уменьшаться по мере удаления от его источника.

2. Поглощение и рассеяние энергии средой (затухание).

При распространении звука в реальной среде (например, в воздухе, воде) часть его механической энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию среды, то есть в тепло. Этот процесс называется поглощением или диссипацией энергии. Основные механизмы поглощения:

• Вязкость (внутреннее трение): Колебания частиц среды вызывают силы трения между ними. Работа против этих сил приводит к выделению тепла и, соответственно, к потере энергии волны.
• Теплопроводность: В областях сжатия звуковой волны среда немного нагревается, а в областях разрежения — остывает. Из-за теплопроводности происходит передача тепла от горячих участков к холодным, что является необратимым процессом, отбирающим энергию у волны.
• Рассеяние и отражение: Звуковые волны могут отражаться и рассеиваться от различных препятствий (стен, мебели, людей) и неоднородностей в самой среде. При каждом таком взаимодействии часть энергии волны может поглощаться препятствием.

В результате совокупного действия этих факторов амплитуда колебаний в звуковой волне постепенно уменьшается до тех пор, пока не станет неотличимой от фонового шума или не достигнет порога слышимости человеческого уха. В этот момент мы говорим, что звук исчез.

Ответ: Изданный звук исчезает со временем, потому что его энергия, во-первых, распределяется по все возрастающей площади по мере удаления от источника (что уменьшает интенсивность звука), и, во-вторых, поглощается средой распространения, превращаясь в тепло из-за вязкости и теплопроводности, а также рассеивается на различных препятствиях.

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

Способность человека слышать звук ограничена определённым диапазоном частот. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания с частотой примерно от $16-20$ герц (Гц) до $20 \ 000$ герц (кГц). Звук, который мы слышим, — это и есть эти колебания, распространяющиеся в воздухе. Колебания с частотой ниже порога слышимости (менее $16-20$ Гц) называются инфразвуком, а с частотой выше — ультразвуком. Человек не способен слышать ни инфразвук, ни ультразвук.

Причина, по которой мы слышим писк комара, но не слышим взмахов крыльев птицы, кроется именно в частоте этих взмахов.

• Комар машет крыльями с очень высокой частотой — в среднем от 500 до 1000 раз в секунду. Это создает звуковые волны с частотой $500-1000$ Гц. Такая частота легко попадает в диапазон слышимости человеческого уха, поэтому мы воспринимаем её как характерный писк.
• Птица, особенно крупная, машет крыльями гораздо медленнее. Частота взмахов крыльев птицы обычно не превышает 10-15 раз в секунду (т.е. $10-15$ Гц). Эта частота находится в области инфразвука, то есть ниже порога слышимости для человека. Поэтому мы не можем услышать звук, создаваемый непосредственно взмахами крыльев птицы.

Ответ: Мы слышим звук от взмахов крыльев комара, потому что частота этих взмахов (около $500-1000$ Гц) попадает в диапазон слышимости человеческого уха. Частота взмахов крыльев птицы (менее $20$ Гц) слишком низкая и находится в области инфразвука, который человек 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 звука, $t = 8 \text{ с}$

Скорость звука в воздухе, $v = 331 \text{ м/с}$

Найти:

Расстояние до грозового разряда, $S$

Решение:

Вспышка молнии и удар грома происходят практически одновременно. Скорость света очень велика (около $300\;000$ км/с), поэтому можно считать, что наблюдатель видит вспышку молнии мгновенно. Задержка в 8 секунд — это время, которое потребовалось звуку грома, чтобы дойти от места удара молнии до наблюдателя.

Расстояние можно найти, зная скорость и время, по формуле для равномерного прямолинейного движения:

$S = v \cdot t$

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

Подставим числовые значения в формулу:

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

Это расстояние можно также выразить в километрах:

$2648 \text{ м} = 2,648 \text{ км}$

Ответ: грозовой разряд произошёл на расстоянии 2648 м (или 2,648 км) от наблюдателя.