"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Звуковая волна возникает, когда колеблющееся тело передаёт свои колебания частицам окружающей среды. Так звук доходит до слушателя, хотя сами частицы не перемещаются от источника к уху, а колеблются около своих мест. Скорость звука показывает, какой путь волна проходит за единицу времени, и зависит от среды и её состояния. Знание этой скорости помогает находить расстояние до источника звука или препятствия, например по времени возвращения эха.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — механическая волна, которая распространяется в упругой среде, то есть в веществе, способном передавать колебания. Чтобы звук дошёл от источника до уха, частицам среды нужно передавать возмущение друг другу. Поэтому в вакууме звуковая волна не распространяется: там нет частиц, которые могли бы передавать колебания.
Источник звука — тело, совершающее колебания и возбуждающее звуковую волну. Например, колебаться может струна, мембрана динамика или воздух в голосовых связках. Это понятие помогает определить, откуда начинаются колебания, которые затем распространяются по среде.
Скорость звука — расстояние, на которое распространяется звуковая волна за единицу времени; её обозначают буквой v. Если за время t волна прошла путь s, то v = s/t. Формула нужна, чтобы рассчитать скорость, а также найти путь s = vt или время t = s/v, если известны две другие величины.
Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже диапазона, который воспринимает человек, а ультразвук — с частотой выше него. Частота показывает, сколько колебаний происходит за одну секунду. Эти названия помогают различать звуковые колебания по частоте, даже если человек не может услышать их непосредственно.
Когда источник звука колеблется, он толкает или оттягивает прилегающие частицы среды. Частицы начинают колебаться около положения равновесия и передают движение соседним частицам, поэтому возмущение постепенно распространяется дальше. Например, колеблющаяся мембрана динамика сжимает и разрежает прилегающий воздух. Так звуковая волна может дойти до слушателя, хотя частицы воздуха не перемещаются вместе с ней на всё расстояние.
В газах и жидкостях звук распространяется как продольная волна. Это значит, что частицы колеблются вдоль направления, в котором движется волна. Одни участки среды становятся более плотными — в них образуются сгущения, а соседние участки разрежаются. Чередование сгущений и разрежений передаёт звуковое возмущение через среду.
Для звука необходима упругая среда: её частицы должны взаимодействовать и возвращаться к положению равновесия после смещения. Благодаря этому частицы могут передавать колебания соседям, а возмущение — распространяться. В вакууме частиц для такой передачи нет. Поэтому источник может колебаться в вакууме, но звуковая волна от него не дойдёт до слушателя.
Скорость звука определяется свойствами среды и её состоянием, поэтому она не одинакова повсюду. Обычно частицы твёрдых тел передают колебания быстрее, чем частицы жидкостей и газов; это видно при сравнении значений для стали, воды и воздуха. В воздухе скорость зависит, в частности, от температуры. Значение около 340 м/с подходит для воздуха при комнатной температуре, но не является универсальным для любых условий.
Формула v = s/t связывает скорость волны, пройденное расстояние и время распространения. Чтобы найти путь, скорость умножают на время: s = vt; чтобы найти время, путь делят на скорость: t = s/v. При измерении по эху важно определить, какой путь прошёл звук: после отражения от препятствия он возвращается к слушателю. Поэтому полный путь в два раза больше расстояния до препятствия, и для поиска этого расстояния полный путь делят на два.
| Среда | Примерная скорость звука | Что показывает сравнение |
|---|---|---|
| Воздух при комнатной температуре | Около 340 м/с | Звук распространяется медленнее, чем в воде и твёрдых телах |
| Вода | Около 1500 м/с | Скорость выше, чем в воздухе |
| Сталь | Около 5000 м/с | Скорость выше, чем в жидкостях и газах |
Таблица позволяет сравнить скорости звука в разных средах: чем больше значение в метрах в секунду, тем больший путь проходит волна за одну секунду. Значения примерные, поэтому при решении задач выбирайте значение, указанное в условии. Сравнение также показывает, почему нельзя считать скорость звука одинаковой в любом веществе.
Звук прошёл в воздухе 680 м за 2 с. Найдите его скорость. Известны путь и время, поэтому подходит формула v = s/t. Переводить величины в другие единицы не нужно: метры и секунды уже заданы в СИ.
Ответ: скорость звука равна 340 м/с. Полученное значение согласуется с примерной скоростью звука в воздухе при комнатной температуре.
После вспышки молнии гром услышали через 5 с. Оцените расстояние до места удара, если скорость звука равна 340 м/с. Время распространения света можно не учитывать: свет доходит практически сразу по сравнению со звуком. Здесь нужно найти путь, поэтому используем s = vt.
Ответ: место удара молнии находится примерно в 1700 м, или 1,7 км. Это оценка, потому что скорость звука зависит от условий в воздухе.
Эхо от стены вернулось через 1,8 с. Определите расстояние до стены, если скорость звука равна 340 м/с. За указанное время звук успел дойти до стены и вернуться. Значит, сначала найдём полный путь волны, а затем разделим его пополам.
Ответ: стена находится на расстоянии 306 м. Проверка смысла расчёта: путь до стены и обратно должен быть вдвое больше расстояния до стены.
Ошибка — считать, что звук переносит частицы среды от источника к слушателю. Так можно подумать, потому что волна проходит расстояние, но частицы воздуха в основном колеблются около положения равновесия. Проверьте себя: если бы частицы перемещались вместе со звуком, вещество у источника должно было бы доходить до слушателя, чего при обычном распространении волны не происходит.
Ошибка — полагать, что звук распространяется в вакууме. Её допускают, когда представляют звук как нечто, способное двигаться само по себе, без среды. Проверьте объяснение через передачу колебаний: если частиц вещества нет, передавать их соседям некому.
Ошибка — считать скорость звука одинаковой в любых средах и при любой температуре. Иногда запоминают одно значение для воздуха и применяют его повсюду, хотя скорость зависит от свойств среды и её состояния. Сверяйтесь с условием задачи и таблицей: используйте именно то значение скорости, которое соответствует нужной среде и дано для расчёта.
Ошибка — принимать расстояние до стены за весь путь звуковой волны при расчёте эха. Так происходит, если не учесть отражение: звук сначала идёт к препятствию, а потом возвращается. Проверьте себя рисунком пути или словами «туда и обратно»: полный путь равен vt, а расстояние до стены — vt/2.
Чтобы разобраться со звуком, нужно знать, что такое механические колебания и волна: колеблющийся источник создаёт возмущение, которое распространяется в среде. Понятия частоты и упругой среды помогают понять, чем различаются звуковые колебания и почему для них нужно вещество. Скорость волны позволяет сравнивать распространение механических волн в разных материалах.
Эти знания пригодятся при изучении звуковых явлений и отражения волн. В частности, время возвращения отражённого сигнала можно использовать для измерения расстояния до препятствия. Для такого расчёта важно знать скорость распространения волны и учитывать весь её путь.
Почему звук не распространяется в вакууме?
Звук — механическая волна: для его передачи нужны частицы вещества, которые могут колебаться и передавать возмущение соседним частицам. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать колебания некому.
Что именно колеблется при распространении звуковой волны?
Колеблются частицы среды — например, молекулы воздуха или воды. Они движутся около положения равновесия, а распространяется по среде само возмущение, а не поток частиц от источника к слушателю.
От чего зависит скорость звука?
Она зависит от свойств среды и её состояния. Например, звук распространяется в стали быстрее, чем в воде и воздухе, а в воздухе скорость меняется с температурой.
Почему гром слышен позже вспышки молнии?
Свет распространяется намного быстрее звука, поэтому вспышка доходит до наблюдателя почти сразу. Звуку требуется больше времени, чтобы пройти расстояние от места удара молнии.
Как определить расстояние до стены по времени возвращения эха?
Умножьте скорость звука на время от момента звукового сигнала до возвращения эха. Полученный путь включает движение до стены и обратно, поэтому расстояние до стены равно половине этого результата.
17. Звуковые волны. Скорость звука
