Страница 179 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. С какой целью проводился опыт, изображённый на рисунке 125? Какой был сделан вывод по результатам этого опыта?

С какой целью проводился опыт, изображённый на рисунке 125? Какой был сделан вывод по результатам этого опыта?

Опыт, который, как правило, изображается на рисунке 125 в учебниках физики, проводится с целью продемонстрировать, что результат действия силы зависит не только от её модуля и направления, но и от площади той поверхности, на которую эта сила действует. В ходе этого эксперимента используется предмет, имеющий стороны с разной площадью, например, небольшой столик. Его поочередно ставят на рыхлую поверхность (чаще всего песок) сначала на ножки, имеющие малую суммарную площадь, а затем — на столешницу, площадь которой велика. Сила, действующая на песок в обоих случаях, одинакова и равна весу столика. Однако результаты отличаются: стоя на ножках, столик проваливается в песок заметно глубже, чем когда он опирается на широкую столешницу.

На основе этих наблюдений делается вывод: результат действия силы зависит от площади поверхности, перпендикулярно которой она действует. Для описания этой зависимости вводится новая физическая величина — давление. Давление показывает, какая сила приходится на единицу площади поверхности.

Ответ: Цель опыта — экспериментально установить зависимость результата действия силы от площади опоры. Вывод: чем меньше площадь поверхности, на которую действует сила, тем большее давление она производит.

2. От чего зависит...

Предположительно, вопрос касается того, от чего зависит давление. Давление ($p$) — это физическая величина, равная отношению модуля силы ($F$), действующей перпендикулярно поверхности, к площади ($S$) этой поверхности. Таким образом, давление зависит от двух величин:

Во-первых, от модуля силы давления. Эта зависимость является прямо пропорциональной: чем больше сила, действующая на ту же площадь, тем больше давление ($p \sim F$).

Во-вторых, от площади поверхности, на которую действует сила. Эта зависимость является обратно пропорциональной: чем больше площадь, на которую распределяется та же самая сила, тем меньше давление ($p \sim \frac{1}{S}$).

Данные зависимости объединяются в формуле для расчёта давления: $p = \frac{F}{S}$.

Ответ: Давление прямо пропорционально зависит от модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, и обратно пропорционально зависит от площади этой поверхности.

2. От чего зависит высота звука?

Какой был сделан вывод по результатам этого опыта?

Решение:

Так как сам опыт в вопросе не описан, можно сделать предположение, что речь идет об одном из стандартных демонстрационных опытов по акустике, связывающих физические характеристики звуковой волны с ее слуховым восприятием. Чаще всего для демонстрации зависимости высоты тона от частоты используют либо звуковой генератор с осциллографом, либо механические устройства, такие как диск Савара. В ходе таких опытов изменяют частоту колебаний источника звука и фиксируют изменение воспринимаемой высоты. Например, при увеличении скорости вращения диска Савара или частоты на звуковом генераторе, издаваемый звук становится выше. На основе таких наблюдений и делается вывод.

Ответ: по результатам опыта был сделан вывод, что высота звука напрямую зависит от частоты звуковых колебаний — чем больше частота колебаний, тем выше воспринимаемый звук.

2. От чего зависит высота звука?

Решение:

Высота звука — это качественная характеристика, которая определяется нашим слуховым аппаратом. Объективной физической величиной, с которой связана высота звука, является частота колебаний, $ \nu $ (или $ f $). Частота измеряется в Герцах (Гц) и показывает, сколько полных колебаний совершает источник звука (и, соответственно, частицы среды, в которой распространяется звук) за одну секунду. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. Колебания с малой частотой воспринимаются как низкие звуки (например, гул, бас), а колебания с большой частотой — как высокие (например, писк, свист).

Ответ: высота звука зависит от частоты звуковой волны. Чем выше частота, тем выше звук.

3. Что называют чистым тоном; основным тоном;

Решение:

Чистый тон — это звук, который представляет собой гармоническое колебание, то есть колебание, происходящее по синусоидальному закону. Такой звук имеет только одну частоту и не содержит обертонов. В качестве примера источника звука, близкого к чистому тону, часто приводят камертон. Звуки чистого тона используются в акустических измерениях и аудиометрии.

Основной тон — это понятие, относящееся к сложным звукам. Большинство звуков в природе и музыке (например, звуки голоса, музыкальных инструментов) не являются чистыми тонами. Они состоят из совокупности нескольких гармонических колебаний. Самое низкочастотное колебание в этом наборе и называется основным тоном. Частота основного тона определяет воспринимаемую высоту всего сложного звука. Колебания с частотами, превышающими частоту основного тона, называются обертонами. Наличие и интенсивность обертонов определяют тембр звука — его уникальную окраску.

Ответ:

Чистым тоном называют звук, являющийся гармоническим колебанием одной определенной частоты.

Основным тоном называют звук самой низкой частоты в составе сложного звука.

3. Что называют чистым тоном; основным тоном; обертоном?

От чего зависит высота звука?

Высота звука — это субъективное качество слухового ощущения, которое позволяет нам располагать звуки по шкале от низких до высоких. Физической характеристикой, определяющей высоту звука, является его частота.

Звук представляет собой механическую волну, то есть колебания частиц в упругой среде (например, в воздухе). Частота звуковой волны — это количество полных колебаний, которые совершает источник звука (или частицы среды) за одну секунду. Частота измеряется в герцах (Гц).

Чем больше частота колебаний, тем выше мы воспринимаем звук. И наоборот, чем меньше частота, тем звук кажется нам ниже. Например, низкий мужской голос (бас) имеет основную частоту около 80–150 Гц, в то время как высокий женский голос (сопрано) — 250–1000 Гц.

Ответ: Высота звука зависит от частоты звуковой волны: чем выше частота, тем выше звук.

3. Что называют чистым тоном; основным тоном; обертоном?

Звуки, которые мы слышим в повседневной жизни, как правило, являются сложными и состоят из нескольких частот. Понятия чистого тона, основного тона и обертонов помогают описать состав таких сложных звуков.

• Чистый тон (или простой тон) — это звук, состоящий из колебаний только одной, постоянной частоты. Графически такой звук изображается синусоидой. В природе чистые тоны встречаются редко. Примером источника звука, близкого к чистому тону, может служить камертон.
• Основной тон — это самая низкая частота в спектре сложного звука. Именно частота основного тона определяет воспринимаемую нами высоту сложного звука (например, высоту ноты, взятой на музыкальном инструменте). Его также называют основной гармоникой или первой гармоникой.
• Обертон (от нем. ober — «верхний») — это любой призвук, частота которого выше частоты основного тона. Обертоны бывают гармоническими и негармоническими. Гармонические обертоны (или просто гармоники) — это призвуки, частоты которых кратны частоте основного тона: $2f_0, 3f_0, 4f_0, ...$, где $f_0$ — частота основного тона. Именно гармонические обертоны характерны для музыкальных звуков.

Таким образом, любой сложный звук (например, звук голоса или музыкального инструмента) можно разложить на основной тон и совокупность обертонов.

Ответ:Чистый тон — звук одной частоты. Основной тон — самая низкая частота в составе сложного звука, определяющая его высоту. Обертон — любой призвук с частотой выше основного тона.

4. Чем определяется тембр звука?

Тембр — это качественная характеристика звука, его «окраска» или «цвет». Именно тембр позволяет нам на слух отличать звуки одинаковой высоты и громкости, но изданные разными источниками, например, скрипкой и роялем, или голосами разных людей.

Тембр звука определяется его спектральным составом, то есть совокупностью обертонов, которые сопровождают основной тон. Конкретнее, тембр зависит от следующих факторов:

• Количества обертонов в спектре звука.
• Частот этих обертонов (их соотношения с частотой основного тона).
• Относительной интенсивности (амплитуды) каждого обертона. Чем громче определенные обертоны по сравнению с основным тоном, тем более «насыщенным» будет тембр.

Различные комбинации числа и интенсивности обертонов создают уникальный звуковой «отпечаток» для каждого музыкального инструмента или голоса.

Ответ: Тембр звука определяется его спектральным составом, а именно: количеством, частотами и относительной интенсивностью обертонов, сопровождающих основной тон.

4. Чем определяется тембр звука? Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний его источника?

Чем определяется тембр звука?

Тембр — это качественная характеристика, или «окраска» звука, которая позволяет на слух различать звуки одинаковой высоты и громкости, но издаваемые разными источниками (например, разными музыкальными инструментами или человеческими голосами). Например, нота «до» первой октавы, сыгранная на рояле и на скрипке, будет иметь одинаковую высоту (основную частоту), но мы легко отличим один инструмент от другого именно благодаря разнице в тембре.

Физически тембр определяется спектральным составом звука. Любой сложный звук состоит из основного тона (самой низкой частоты, определяющей высоту звука) и набора обертонов — дополнительных, более высоких частот. Именно количество этих обертонов, их частоты и, что наиболее важно, их относительные интенсивности (громкости) по отношению к основному тону и друг к другу и создают уникальную звуковую окраску, то есть тембр.

Ответ: тембр звука определяется наличием, количеством и относительной интенсивностью обертонов, которые сопровождают основной тон.

Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний его источника?

Громкость звука — это субъективное восприятие силы звука, которое напрямую зависит от объективной физической величины — амплитуды звуковой волны. Амплитуда колебаний источника звука (например, максимальное смещение струны от положения равновесия) определяет амплитуду звуковой волны, которую он создает в среде.

Чем больше амплитуда колебаний источника, тем больше энергия, передаваемая частицам среды, и, соответственно, больше амплитуда звуковой волны. Волны с большей амплитудой несут больше энергии и воспринимаются нашим слухом как более громкие. Интенсивность звука $I$ (энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади) пропорциональна квадрату амплитуды колебаний $A$: $I \sim A^2$.

Таким образом, если уменьшить амплитуду колебаний источника, амплитуда звуковой волны также уменьшится. Это приведет к снижению интенсивности звука и, как следствие, к уменьшению его воспринимаемой громкости. Звук станет тише.

Ответ: если уменьшить амплитуду колебаний его источника, громкость звука уменьшится.

5. Звук какой частоты — 500 Гц или 3000 Гц — человеческое ухо воспримет как более громкий при одинаковых амплитудах колебаний источников этих звуков?

Громкость звука — это субъективное восприятие его интенсивности человеческим ухом. Это восприятие зависит не только от амплитуды звуковой волны, но и от ее частоты. Чувствительность человеческого уха к звукам разной частоты неодинакова.

Диапазон слышимых человеком частот составляет примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 Гц до 5000 Гц. Это означает, что при одинаковой физической интенсивности (которая определяется амплитудой колебаний) звуки в этом диапазоне будут казаться нам громче, чем звуки других частот.

В задаче сравниваются два звука с частотами $f_1 = 500$ Гц и $f_2 = 3000$ Гц при одинаковых амплитудах. Частота 3000 Гц находится в области максимальной чувствительности слуха, в то время как чувствительность к частоте 500 Гц заметно ниже. Поэтому при одинаковой амплитуде колебаний источника звук с частотой 3000 Гц будет воспринят человеческим ухом как более громкий.

Ответ: человеческое ухо воспримет как более громкий звук с частотой 3000 Гц.

6. Громкость звука — это характеристика слухового ощущения, позволяющая располагать звуки по шкале от тихих до громких. Она зависит от нескольких факторов.

Во-первых, громкость зависит от амплитуды колебаний. Это основной физический параметр. Чем больше амплитуда колебаний в звуковой волне (и, соответственно, чем больше амплитуда давления), тем больше интенсивность звука и тем громче он воспринимается. Интенсивность звука $I$ пропорциональна квадрату амплитуды $A$: $I \propto A^2$.

Во-вторых, громкость зависит от частоты звука. Как было показано в предыдущем вопросе, чувствительность уха зависит от частоты. При одинаковой амплитуде звуки разных частот будут восприниматься как имеющие разную громкость. Наибольшая громкость при той же интенсивности ощущается в диапазоне 1–5 кГц.

Также на восприятие громкости могут влиять длительность звука (очень короткие звуки кажутся тише) и его спектральный состав (для сложных звуков, состоящих из нескольких частот).

Таким образом, громкость является сложной психофизиологической величиной, зависящей в первую очередь от амплитуды (интенсивности) и частоты звуковых колебаний.

Ответ: громкость звука зависит в первую очередь от амплитуды и частоты звуковых колебаний.

6. От чего зависит громкость звука?

Громкость звука — это субъективная характеристика слухового ощущения, которая отражает силу звука. Она зависит от нескольких объективных физических параметров звуковой волны и условий её восприятия.

Амплитуда колебаний. Это основной фактор, от которого зависит громкость. Звук представляет собой волну, то есть распространяющиеся в среде (например, в воздухе) колебания давления и плотности. Амплитуда — это максимальное значение изменения давления в звуковой волне относительно атмосферного. Чем больше энергия, сообщенная источнику звука (например, чем сильнее удар по струне гитары), тем больше будет амплитуда колебаний частиц среды. Большая амплитуда означает большую интенсивность звука, что нашим ухом воспринимается как большая громкость. Интенсивность звука $I$ (энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади) пропорциональна квадрату амплитуды $A$: $I \propto A^2$.

Частота колебаний. Громкость также зависит от частоты звука. Человеческое ухо не одинаково чувствительно ко всем частотам. При одной и той же физической интенсивности (и амплитуде) звук средней частоты (в диапазоне примерно от 1000 до 5000 Гц) будет казаться нам громче, чем звук очень низкой или очень высокой частоты. Например, чтобы звук частотой 50 Гц казался таким же громким, как звук частотой 1000 Гц, его интенсивность должна быть в тысячи раз больше.

Другие факторы. На громкость звука в точке его приема также влияют:

Расстояние до источника: по мере удаления от источника звуковая энергия распределяется по всё большей площади, из-за чего амплитуда волны и её интенсивность уменьшаются, а звук становится тише.

Среда распространения: различные среды по-разному поглощают и рассеивают звук. Например, в вакууме звук не распространяется вовсе. Мягкие и пористые материалы (ткань, вата) хорошо поглощают звук, уменьшая его громкость, в то время как твердые и гладкие поверхности (стены, вода) могут его отражать.

Ответ: Громкость звука зависит в первую очередь от амплитуды звуковой волны (чем больше амплитуда, тем громче звук), а также от её частоты (из-за разной чувствительности человеческого уха к разным частотам). Кроме того, на воспринимаемую громкость влияют расстояние до источника звука и свойства среды, в которой он распространяется.

7. Как отражается на здоровье человека систематическое воздействие громких звуков?

Громкость звука — это субъективное восприятие силы звука человеком, которое зависит от нескольких физических характеристик звуковой волны и особенностей слухового аппарата.

Основным фактором, определяющим громкость звука, является амплитуда колебаний в звуковой волне. Амплитуда — это максимальное смещение частиц среды (например, воздуха) от их положения равновесия. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше энергии переносит звуковая волна, и тем более громким мы воспринимаем звук.

Кроме амплитуды, на восприятие громкости влияют и другие факторы:

• Частота звука: Человеческое ухо имеет разную чувствительность к звукам разной частоты. Наиболее восприимчивы мы к диапазону частот от 1000 до 5000 Гц. Звуки с одинаковой физической интенсивностью, но разной частотой (например, очень низкий бас и высокий свист), будут восприниматься как имеющие разную громкость.
• Расстояние до источника: С увеличением расстояния от источника звука его интенсивность ослабевает, так как звуковая энергия распределяется на все большую площадь. Поэтому звук на расстоянии кажется тише.
• Среда распространения: Плотность и свойства среды, в которой распространяется звук (воздух, вода, твердое тело), также влияют на его затухание и, следовательно, на воспринимаемую громкость.

Физической величиной, тесно связанной с громкостью, является уровень интенсивности звука, который измеряется в децибелах (дБ). Это логарифмическая шкала, которая сравнивает интенсивность данного звука $I$ с пороговой интенсивностью $I_0$, едва различимой человеческим ухом (для воздуха $I_0 \approx 10^{-12} \text{ Вт/м}^2$).

Ответ: Громкость звука зависит в первую очередь от амплитуды звуковой волны (чем больше амплитуда, тем громче звук), а также от его частоты, расстояния до источника и свойств среды распространения.

7. Систематическое воздействие громких звуков (шумовое загрязнение) оказывает крайне негативное влияние на здоровье человека, затрагивая не только органы слуха, но и другие системы организма.

Влияние на органы слуха:

• Снижение слуха: Длительное воздействие шума уровнем выше 85 дБ приводит к повреждению и гибели чувствительных волосковых клеток во внутреннем ухе. Эти клетки не восстанавливаются, что вызывает необратимую потерю слуха (нейросенсорную тугоухость).
• Тиннитус: Часто последствием шумового воздействия становится тиннитус — постоянный или периодический шум, звон или гул в ушах, который не связан с внешним источником звука. Это явление значительно снижает качество жизни.
• Акустическая травма: Очень громкий, внезапный звук (например, взрыв) может вызвать резкую боль и даже разрыв барабанной перепонки, приводя к острой потере слуха.

Влияние на другие системы организма (неслуховые эффекты):

• Нервная система: Шум является сильным стрессовым фактором. Он вызывает повышенную утомляемость, раздражительность, тревожность, головные боли, нарушения сна (бессонницу), а также снижение концентрации внимания и работоспособности.
• Сердечно-сосудистая система: В ответ на шум в организме вырабатываются гормоны стресса (адреналин, кортизол). Это приводит к сужению кровеносных сосудов, повышению артериального давления и увеличению частоты сердечных сокращений. Систематическое воздействие шума повышает риск развития гипертонии, ишемической болезни сердца и инфаркта миокарда.
• Эндокринная и пищеварительная системы: Хронический стресс, вызванный шумом, может нарушать обмен веществ и приводить к расстройствам пищеварения, таким как гастрит или язвенная болезнь.

Таким образом, громкие звуки представляют серьезную угрозу для здоровья, вызывая как специфические поражения слухового аппарата, так и общесистемные заболевания.

Ответ: Систематическое воздействие громких звуков приводит к необратимому снижению слуха, появлению шума в ушах, а также вызывает серьезные проблемы с нервной системой (стресс, бессонница, раздражительность), сердечно-сосудистой системой (повышение давления, риск инфаркта) и другими системами организма.

1. Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издаёт тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны.)

Чтобы на опыте удостовериться, что высота звука зависит от частоты колебаний, необходимо провести эксперимент, в котором можно независимо сравнить как высоту звука двух камертонов, так и их частоты.

Высота звука — это субъективная характеристика, которую мы воспринимаем на слух. Сравнить высоту звука двух камертонов очень просто: нужно поочередно ударить по ним специальным молоточком и послушать. Наш слух легко определит, какой из звуков «выше», а какой «ниже».

Сложнее сравнить частоты, не имея специальных приборов (например, осциллографа). Для этого можно использовать метод визуализации колебаний. Один из классических способов — запись колебаний на закопченной поверхности.

Порядок проведения опыта:

1. Подготовка к визуализации частот. Возьмем стеклянную пластину и равномерно покроем ее тонким слоем сажи (копоти), подержав над пламенем свечи. К одной из ножек первого камертона прикрепим острую иглу или другой заостренный предмет.
2. Запись колебаний первого камертона. Ударим по камертону, чтобы он зазвучал, и сразу же легким движением проведем кончиком иглы по закопченной пластине. Важно стараться двигать камертон с постоянной скоростью. Игла счистит сажу, оставив на пластине видимый след в виде волнистой линии (синусоиды). Эта линия — график колебаний ножки камертона во времени.
3. Запись колебаний второго камертона. Повторим ту же процедуру со вторым камертоном, используя ту же иглу. Критически важно провести иглой по пластине с той же скоростью, что и в первый раз, чтобы сравнение было корректным.
4. Сравнение частот. Теперь сравним две полученные волнообразные записи. Частота — это количество колебаний за единицу времени, $f = N/t$. Поскольку мы двигали камертоны с одинаковой скоростью, на одинаковом отрезке длины записи будет отображено одинаковое время колебаний. Тот камертон, у которого частота выше, совершит за это время больше колебаний. Следовательно, его след на пластине будет выглядеть более «густым», с более частыми волнами. Таким образом, мы можем определить, у какого камертона частота больше.
5. Сопоставление результатов. Сравнив записи (визуальное сравнение частот) и прослушав звучание камертонов (сравнение высоты тона на слух), мы убедимся, что камертон, который оставил на пластине более частые волны (т. е. имеет бо́льшую собственную частоту), издает звук, воспринимаемый на слух как более высокий.

Таким образом, данный опыт наглядно демонстрирует прямую зависимость между высотой звука и частотой его источника.

Ответ: Необходимо провести опыт по визуализации колебаний. Для этого нужно поочередно каждым из звучащих камертонов прочертить линию на закопченной стеклянной пластине, двигая их с одинаковой скоростью. Камертон с большей частотой оставит след с более частыми волнами. Затем, прослушав оба камертона, можно убедиться, что именно этот камертон и издает более высокий звук.

2. Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издаёт. Как изменится высота звучания струны при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

Решение

Высота звука, издаваемого гитарной струной, определяется частотой её колебаний. Как указано в условии, чем туже натянута струна, тем выше частота и, следовательно, выше звук. Физически эта зависимость описывается формулой для основной частоты колебаний струны:

$f = \frac{1}{2L} \sqrt{\frac{T}{\mu}}$

где $f$ — частота звука (высота тона), $T$ — сила натяжения струны, $L$ — длина колеблющейся части струны, а $\mu$ — линейная плотность струны (её масса на единицу длины).

При значительном повышении температуры окружающего воздуха гитарная струна, изготовленная обычно из металла или синтетических материалов, нагревается. В результате нагрева происходит явление теплового расширения, из-за которого длина струны увеличивается.

Поскольку струна закреплена на гитаре между двумя фиксированными точками (порожком и бриджем), её удлинение приводит к тому, что она провисает, и её натяжение ($T$) уменьшается. Согласно приведённой формуле и условию задачи, уменьшение натяжения струны ведёт к снижению частоты её колебаний ($f$).

Таким образом, звук, издаваемый струной, станет более низким.

Ответ: При значительном повышении температуры окружающего воздуха высота звучания струны понизится. Это происходит потому, что из-за теплового расширения струна удлиняется, её натяжение ослабевает, а чем слабее натянута струна, тем более низкий звук она издаёт.