Страница 183 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. С какой целью ставят опыт, изображённый на рисунке 126? Расскажите, как этот опыт проводится и какой вывод из него следует.

Поскольку изображение "рисунок 126" не предоставлено, ответ основан на предположении, что на нем изображен стандартный школьный опыт, демонстрирующий зависимость давления жидкости от высоты ее столба.

Данный опыт ставится с целью наглядно продемонстрировать, что давление внутри жидкости существует и увеличивается с увеличением глубины.

Проводится этот опыт следующим образом: используется специальный высокий сосуд, который имеет два боковых отверстия на разной высоте. Эти отверстия затянуты эластичными резиновыми пленками. В сосуд начинают наливать жидкость (например, подкрашенную воду). В процессе наблюдения видно, что обе пленки выгибаются наружу. Это происходит под действием силы давления, которое оказывает на них жидкость. При этом можно заметить, что пленка, расположенная на нижнем отверстии, выгибается значительно сильнее, чем пленка на верхнем отверстии.

Из этого наблюдения следует такой вывод: давление внутри жидкости неодинаково на разной глубине. Чем глубже расположен слой жидкости, тем большее давление он испытывает, так как на него давит вес всех вышележащих слоев. Тот факт, что нижняя пленка выгибается сильнее, доказывает, что давление на большей глубине выше. Таким образом, давление, создаваемое столбом жидкости, прямо пропорционально высоте этого столба. Эта зависимость выражается формулой гидростатического давления: $p = \rho g h$, где $p$ – давление, $\rho$ – плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, а $h$ – высота столба жидкости.

Ответ: Цель опыта — доказать, что давление в жидкости увеличивается с глубиной. Опыт проводится с использованием сосуда с отверстиями на разной высоте, затянутыми пленками; при наливании воды наблюдается, что нижняя пленка выгибается сильнее. Вывод — давление жидкости прямо пропорционально глубине (высоте столба жидкости).

2. Может ли звук распространяться в газах, жидкостях, твёрдых телах? Ответы подтвердите примерами.

Да, звук может распространяться в газах, жидкостях и твёрдых телах. Звук — это механическая волна, то есть колебания, которые передаются от частицы к частице в упругой среде. Поскольку все три агрегатных состояния вещества (газообразное, жидкое и твёрдое) являются такими средами, звук может распространяться в каждом из них.

Примеры, подтверждающие это:

• В газах: Мы слышим человеческую речь, пение птиц, звуки музыки или шум транспорта благодаря распространению звуковых волн в воздухе, который является смесью газов. Гром во время грозы также является примером звука, путешествующего через воздух.
• В жидкостях: Дельфины и киты общаются под водой на огромных расстояниях, используя звуковые сигналы. Если опустить голову в воду в бассейне, можно отчетливо услышать звуки, например, удар о бортик. Технология гидролокации (сонар) основана на распространении и отражении звука в воде.
• В твёрдых телах: Приложив ухо к стене, можно услышать голоса из соседней комнаты. Звук приближающегося поезда можно услышать гораздо раньше, если приложить ухо к рельсу, так как сталь проводит звук значительно лучше, чем воздух.

Ответ: Да, звук может распространяться в газах, жидкостях и твёрдых телах, поскольку для его распространения необходима любая упругая среда, которой являются вещества во всех трех агрегатных состояниях.

3. Лучше всего звук проводят твёрдые тела. Второе место занимают жидкости, и хуже всего звук распространяется в газах.

Это различие объясняется строением вещества. В твёрдых телах молекулы или атомы расположены очень близко друг к другу и жёстко связаны в кристаллическую решетку или аморфную структуру. Из-за этого колебания от одной частицы к соседней передаются очень быстро и с минимальными потерями энергии. В жидкостях частицы расположены дальше друг от друга и менее связаны, а в газах расстояние между частицами ещё больше, и они взаимодействуют редко. Поэтому передача звуковых колебаний в них происходит медленнее.

Скорость звука наглядно иллюстрирует эту разницу:

• Скорость звука в воздухе (газ) при 20°C: $\approx 343$ м/с.
• Скорость звука в воде (жидкость) при 20°C: $\approx 1482$ м/с.
• Скорость звука в стали (твёрдое тело): $\approx 5960$ м/с.

Таким образом, соотношение скоростей выглядит как $v_{твёрдые} > v_{жидкости} > v_{газы}$.

Ответ: Лучше всего звук проводят твёрдые тела, затем жидкости, и хуже всего — газы.

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

Да, звук может распространяться в газах, жидкостях и твердых телах. Звук представляет собой механическую волну, то есть колебания частиц среды, которые передаются от одной частицы к другой. Для распространения звука необходима упругая среда. Все три агрегатных состояния вещества — газообразное, жидкое и твердое — обладают упругостью и могут служить средой для распространения звука.

• В газах: Мы слышим речь, музыку, шум ветра и другие звуки благодаря тому, что звуковые волны распространяются в воздухе. Частицы воздуха колеблются, создавая области сжатия и разрежения, которые доходят до нашего уха. Пример: звук колокола, распространяющийся по воздуху.

• В жидкостях: Звук хорошо распространяется в воде. Например, дельфины и киты общаются с помощью звуков на огромных расстояниях под водой. Также, находясь под водой, можно услышать звук работающего мотора лодки.

• В твердых телах: В твердых телах звук распространяется, как правило, еще лучше и быстрее, чем в жидкостях и газах, так как частицы в них расположены ближе друг к другу и сильнее взаимодействуют. Пример: если приложить ухо к железнодорожному рельсу, то гул от приближающегося поезда можно услышать значительно раньше, чем он станет слышен по воздуху. Другой пример — звук стука, который распространяется по стене или двери.

Ответ: Да, звук распространяется в газах (например, речь в воздухе), жидкостях (например, общение дельфинов в воде) и твердых телах (например, звук поезда по рельсам).

3. Звук лучше проводят упругие тела. Распространение звука — это передача колебаний от частицы к частице среды. В упругих телах частицы тесно связаны друг с другом и после смещения быстро возвращаются в положение равновесия, эффективно передавая энергию колебаний дальше. Поэтому в таких материалах звук распространяется с меньшими потерями энергии.

Пористые тела, наоборот, плохо проводят звук, поскольку они его поглощают. В структуре таких материалов много пор, заполненных воздухом. Когда звуковая волна попадает в пористый материал, она заставляет колебаться не только частицы самого материала, но и воздух в порах. При этом происходит трение, и значительная часть звуковой энергии превращается в тепловую. Поэтому пористые материалы используются для звукоизоляции.

• Примеры упругих тел (хорошие проводники звука): металлы (сталь, алюминий), стекло, древесина, вода, кость.

• Примеры пористых тел (плохие проводники звука): пробка, поролон, минеральная вата, войлок, пенопласт, пористый бетон.

Ответ: Звук лучше проводят упругие тела (например, металлы, стекло). Пористые тела (например, поролон, пробка) являются хорошими звукоизоляторами.

4. Звуковая волна представляет собой продольную волну.

В продольных волнах колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны. Это означает, что частицы среды (например, молекулы воздуха) смещаются то в одну, то в другую сторону параллельно линии, по которой движется сама волна. В результате в среде образуются чередующиеся области повышенной плотности и давления (сжатия) и пониженной плотности и давления (разрежения), которые и распространяются в пространстве.

В поперечных волнах, для сравнения, частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (как, например, в волнах на поверхности воды или на гитарной струне). Газы и жидкости не могут противостоять деформациям сдвига, поэтому в них могут распространяться только продольные волны. В твердых телах могут существовать как продольные, так и поперечные звуковые волны.

Ответ: Звук представляет собой продольную волну.

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

Решение

Звуковые волны являются механическими, и их тип — продольный или поперечный — зависит от свойств упругой среды, в которой они распространяются. Поперечные волны, где колебания частиц перпендикулярны направлению распространения, могут существовать только в средах, обладающих упругостью сдвига (сопротивлением изменению формы), что характерно для твёрдых тел. Продольные волны, где колебания частиц параллельны направлению распространения, связаны с деформацией сжатия и разрежения и могут распространяться в любой среде — твёрдой, жидкой или газообразной.

в воздухе

Воздух — это газ. Газы не обладают упругостью сдвига, поэтому поперечные волны в них распространяться не могут. Звук в воздухе представляет собой последовательные сжатия и разрежения среды, где колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны. Таким образом, звуковая волна в воздухе является продольной.

Ответ: продольную.

в воде

Вода — это жидкость. Жидкости, как и газы, практически не обладают упругостью сдвига, поэтому в объёме воды могут распространяться только продольные волны (поперечные волны могут существовать только на поверхности жидкости, но это другой тип волн). Звук в воде также является процессом распространения сжатий и разрежений, и частицы воды колеблются вдоль направления движения волны. Следовательно, звук в воде — это продольная волна.

Ответ: продольную.

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

Примером, который наглядно показывает, что звуковая волна распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, является гроза. Во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и только через некоторое время слышим раскат грома. При этом сама вспышка и порождаемый ею звук возникают практически одновременно.

Причина этого явления кроется в огромной разнице между скоростью света и скоростью звука. Скорость света в воздухе составляет почти $c \approx 300\,000\,000$ м/с, поэтому визуальную информацию о вспышке молнии мы получаем почти мгновенно. Скорость звука в воздухе намного меньше и при нормальных условиях составляет всего около $v \approx 340$ м/с.

Таким образом, между моментом, когда мы видим молнию, и моментом, когда слышим гром, проходит время, которое требуется звуку, чтобы преодолеть расстояние от молнии до нас. Эта временная задержка является прямым доказательством того, что звук движется с определённой, конечной скоростью. Зная эту задержку, можно даже рассчитать расстояние до грозы. Например, если гром послышался через 3 секунды после вспышки, значит, молния ударила на расстоянии примерно $L = v \cdot t \approx 340 \text{ м/с} \cdot 3 \text{ с} = 1020$ метров (около 1 километра).

Другой простой пример — наблюдение за удалённым фейерверком. Мы видим яркую вспышку в небе и только потом, с задержкой, слышим звук взрыва.

Ответ: Явление грозы: мы видим вспышку молнии практически мгновенно, а раскат грома слышим спустя некоторое время. Эта задержка возникает из-за того, что скорость звука в воздухе (около $340$ м/с) значительно меньше скорости света.

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

Звук — это механическая волна, то есть распространение колебаний в упругой среде (такой как воздух, вода или твердое тело). Для того чтобы звуковая волна могла распространяться, ей необходимы частицы вещества, которые будут передавать эти колебания от источника к приемнику (например, к нашему уху).

Луна не имеет атмосферы, её поверхность окружена вакуумом — пространством, практически лишенным вещества. Космическое пространство, разделяющее Луну и Землю, также является вакуумом.

Поскольку в вакууме нет среды для распространения, звуковые волны от взрыва на Луне не смогут дойти до Земли. Даже самый мощный взрыв произведет лишь колебания лунного грунта, но эти колебания не смогут передаться через безвоздушное пространство. В отличие от звука, свет (электромагнитные волны) может распространяться в вакууме, поэтому вспышку от взрыва на Луне увидеть с Земли было бы возможно.

Ответ: Нет, звук сильного взрыва на Луне не может быть слышен на Земле, так как для распространения звука необходима среда (например, газ, жидкость или твердое тело), а между Луной и Землей находится вакуум, в котором звуковые волны не распространяются.

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

Это явление основано на принципах распространения звуковых волн в различных средах. Работа такого импровизированного телефона объясняется в несколько этапов.

1. Создание и приём звуковых колебаний. Когда человек говорит в одну из половинок мыльницы, его голос создаёт звуковые волны. Дно мыльницы, как мембрана, начинает вибрировать под действием этих волн. Таким образом, звуковая энергия голоса преобразуется в механические колебания твёрдого тела (дна мыльницы).

2. Передача колебаний по среде. Эти механические колебания от дна мыльницы передаются натянутой нити. Здесь и заключается ключевой аспект явления. Звук в воздухе распространяется во все стороны, и его энергия быстро рассеивается, поэтому шёпот слышен лишь на очень близком расстоянии. В твёрдом теле, таком как натянутая нить, частицы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газе. Это позволяет передавать механические колебания намного эффективнее и с меньшими потерями. Звуковая волна распространяется направленно вдоль нити, а не рассеивается в пространстве.

3. Воспроизведение звука. Колебания, пройдя по нити, достигают второй половинки мыльницы и заставляют её дно вибрировать. Эта вибрация, в свою очередь, создаёт колебания в окружающем воздухе внутри и около мыльницы. Эти колебания воздуха воспринимаются ухом слушателя как звук.

Таким образом, успех «переговоров» обусловлен тем, что твёрдое тело (нить) является гораздо лучшим проводником звука, чем газ (воздух). Для корректной работы устройства необходимо, чтобы нить была туго натянута и не касалась посторонних предметов, которые могут поглотить или исказить звуковые колебания.

Ответ: Явление объясняется тем, что твёрдые тела (в данном случае натянутая нить) проводят звуковые колебания значительно лучше и с меньшими потерями энергии, чем газы (воздух). Звуковая волна, созданная голосом, распространяется по нити направленно и почти не затухает, что позволяет услышать даже шёпот на большом расстоянии.

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, $T = 0,002$ с

Длина волны, $\lambda = 2,9$ м

Все величины даны в системе СИ, поэтому перевод единиц не требуется.

Найти:

Скорость звука в воде, $v$

Решение:

Скорость распространения волны, в данном случае скорость звука в воде, связана с длиной волны и периодом колебаний. Эти величины связаны между собой следующей фундаментальной формулой волнового движения:

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

где $v$ — скорость волны, $\lambda$ — длина волны, а $T$ — период колебаний.

Чтобы найти скорость звука, подставим в эту формулу известные значения из условия задачи:

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

Теперь выполним расчет:

$v = 1450 \text{ м/с}$

Следовательно, скорость звука в воде составляет 1450 метров в секунду.

Ответ: 1450 м/с.

4. Звуковая волна распространяется в стали со скоростью 5000 м/с. Найдите частоту этой волны, если длина волны равна 16,06 м.

Дано:

Скорость звуковой волны в стали, $v = 5000$ м/с

Длина волны, $\lambda = 16,06$ м

Все данные представлены в системе СИ.

Найти:

Частоту волны, $\nu$

Решение:

Связь между скоростью распространения волны, ее длиной и частотой описывается основной формулой волнового движения:

$v = \lambda \cdot \nu$

где $v$ — скорость волны, $\lambda$ — длина волны, а $\nu$ — частота волны.

Чтобы найти частоту волны $\nu$, выразим ее из этой формулы:

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

Теперь подставим числовые значения из условия задачи в полученную формулу:

$\nu = \frac{5000 \text{ м/с}}{16,06 \text{ м}} \approx 311,3325 \text{ Гц}$

Округлим результат до сотых:

$\nu \approx 311,33 \text{ Гц}$

Ответ: частота этой волны приблизительно равна $311,33$ Гц.

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

Дано:

Частота звуковой волны, $\nu = 725$ Гц

Для решения задачи используются справочные значения скорости звука в различных средах (приняты для стандартных условий):

Скорость звука в воздухе, $v_{воздух} \approx 343$ м/с

Скорость звука в воде, $v_{вода} \approx 1482$ м/с

Скорость звука в стекле, $v_{стекло} \approx 5500$ м/с

Все величины представлены в системе СИ.

Найти:

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

Решение:

Длина волны $\lambda$ связана со скоростью ее распространения $v$ и частотой $\nu$ следующим соотношением:

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

При переходе звуковой волны из одной среды в другую ее частота $\nu$ не изменяется. Изменяются скорость распространения $v$ и, как следствие, длина волны $\lambda$. Рассчитаем длину волны для каждой из указанных сред.

в воздухе

Используем формулу для длины волны со скоростью звука в воздухе:

$\lambda_{воздух} = \frac{v_{воздух}}{\nu}$

Подставим числовые значения:

$\lambda_{воздух} = \frac{343 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 0,47$ м

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

в воде

Используем формулу для длины волны со скоростью звука в воде:

$\lambda_{вода} = \frac{v_{вода}}{\nu}$

Подставим числовые значения:

$\lambda_{вода} = \frac{1482 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 2,04$ м

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

в стекле

Используем формулу для длины волны со скоростью звука в стекле:

$\lambda_{стекло} = \frac{v_{стекло}}{\nu}$

Подставим числовые значения:

$\lambda_{стекло} = \frac{5500 \text{ м/с}}{725 \text{ Гц}} \approx 7,59$ м

Ответ: длина звуковой волны в стекле составляет примерно 7,59 м.

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

6. Решение

Когда по одному концу металлической трубы ударяют молотком, возникающая звуковая волна начинает распространяться к другому концу одновременно по двум различным средам:

1. По материалу самой трубы (металлу).
2. По воздуху, который находится внутри трубы.

Скорость распространения звука существенно зависит от свойств среды, в которой он распространяется. В твердых телах, таких как металл, частицы расположены близко друг к другу и прочно связаны, что позволяет колебаниям передаваться очень быстро. В газах, таких как воздух, частицы находятся на большом расстоянии и слабо взаимодействуют, поэтому звук распространяется значительно медленнее.

Скорость звука в стали (типичный металл для труб) составляет примерно $v_{металл} \approx 5000 \text{ м/с}$, в то время как скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет всего $v_{воздух} \approx 340 \text{ м/с}$.

Из-за этой большой разницы в скоростях ($v_{металл} \gg v_{воздух}$) звук, идущий по металлу, достигнет другого конца длинной трубы значительно раньше, чем звук, идущий по воздуху. Наблюдатель, находящийся у другого конца трубы, сначала услышит первый, более ранний звук, пришедший по металлу, а через некоторое время — второй звук, пришедший по воздуху. Этот эффект и воспринимается как двойной удар.

Ответ: Двойной удар слышен из-за того, что звук от одного удара распространяется до наблюдателя по двум путям: по металлу трубы и по воздуху внутри нее. Скорость звука в металле намного выше, чем в воздухе, поэтому звуковая волна, прошедшая по металлу, достигает уха наблюдателя первой, а волна, прошедшая по воздуху, — второй, с некоторой задержкой.

7. 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:

Время задержки звука, $t_1 = 2$ с

Время движения паровоза, $t_2 = 34$ с

Скорость звука в воздухе, $v_{зв} \approx 340$ м/с (табличное значение)

Найти:

$v_п$

Решение:

Пусть $L$ — расстояние от наблюдателя до паровоза в тот момент, когда паровоз дал свисток. Наблюдатель видит пар практически мгновенно, так как скорость света очень велика. Звук от свистка доходит до наблюдателя за время $t_1$, распространяясь со скоростью звука $v_{зв}$.

Таким образом, расстояние $L$ можно вычислить по формуле:

$L = v_{зв} \cdot t_1$

Сам паровоз, двигаясь с постоянной скоростью $v_п$, преодолевает это же расстояние $L$ за время $t_2$, которое прошло с момента появления пара до момента, когда паровоз проехал мимо наблюдателя.

Следовательно, расстояние $L$ также можно выразить как:

$L = v_п \cdot t_2$

Поскольку левые части обоих уравнений равны (это одно и то же расстояние $L$), мы можем приравнять их правые части:

$v_п \cdot t_2 = v_{зв} \cdot t_1$

Теперь из этого соотношения мы можем выразить искомую скорость паровоза $v_п$:

$v_п = \frac{v_{зв} \cdot t_1}{t_2}$

Подставим числовые значения в формулу:

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

Ответ: скорость движения паровоза составляет 20 м/с.