Задание, страница 176 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Задание

Изучите данные таблицы.

Объясните, почему скорость звука при увеличении температуры до 10 °С уменьшается, затем вновь увеличивается для воды?

Изменение скорости звука в воде с температурой является результатом взаимодействия двух конкурирующих физических процессов, связанных с изменением плотности и упругости воды. Скорость звука в жидкости в общем виде определяется формулой: $v = \sqrt{K/\rho}$, где $v$ – скорость звука, $K$ – модуль объемной упругости (характеризует упругость или "жесткость" среды), а $\rho$ – плотность среды.

1. Влияние плотности ($\rho$): Вода обладает уникальным свойством, известным как аномалия плотности. Ее максимальная плотность достигается не при температуре замерзания (0 °C), а при температуре около 4 °C. Таким образом, при нагревании воды от 0 °C до 4 °C ее плотность не уменьшается, как у большинства веществ, а наоборот, увеличивается. Согласно формуле, рост плотности ($\rho$) в знаменателе приводит к уменьшению скорости звука $v$. При дальнейшем нагревании, выше 4 °C, плотность воды начинает вести себя "нормально" и уменьшается, что способствует увеличению скорости звука.

2. Влияние упругости ($K$): Одновременно с изменением плотности меняется и модуль упругости воды. С ростом температуры от 0 °C упругость воды (модуль $K$) увеличивается. Увеличение упругости, находящейся в числителе под корнем, приводит к увеличению скорости звука.

Феномен, описанный в вопросе, объясняется тем, какой из этих двух факторов преобладает на разных температурных участках. В диапазоне от 0 °C до ~4 °C эффект аномального роста плотности оказывается доминирующим. Он "перевешивает" эффект роста упругости, что и приводит к наблюдаемому уменьшению скорости звука. После прохождения точки максимальной плотности (около 4 °C), плотность начинает уменьшаться. С этого момента оба фактора — уменьшение плотности и продолжающееся увеличение упругости — действуют согласованно, вызывая увеличение скорости звука.

Ответ: Такое поведение скорости звука в воде объясняется конкуренцией двух факторов: плотности и упругости. При нагревании от 0 °C до примерно 4 °C плотность воды аномально возрастает, что замедляет звук. Этот эффект оказывается сильнее одновременного роста упругости (которая ускоряет звук), поэтому итоговая скорость падает. При дальнейшем нагреве (выше 4 °C) плотность воды начинает уменьшаться, и этот фактор, вместе с продолжающимся ростом упругости, приводит к увеличению скорости звука.