§ 25. Звук в различных средах

Определения и обозначения

Звук — механические колебания, распространяющиеся в упругой среде и воспринимаемые слухом. Механическими называют колебания, связанные с движением материальных тел или частиц. Это определение показывает, почему звук относится к физическим явлениям и почему ему нужна среда.

Звуковая волна — распространяющиеся в среде колебания частиц, переносящие энергию без переноса вещества. Например, частицы воздуха передают толчок соседним частицам, но не летят от источника к слушателю. Понятие волны помогает описывать движение возмущения по среде.

Скорость звука — расстояние, которое звуковая волна проходит за единицу времени; её обозначают буквой v и измеряют в м/с. Если известны путь s и время t, скорость находят по формуле v = s/t. По этой величине можно сравнивать распространение звука в разных веществах.

Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и передают друг другу колебания. После отклонения частицы стремятся вернуться к прежнему положению и воздействуют на соседние частицы. Поэтому упругость является условием распространения механической волны.

Как это устроено

Звук возникает при колебаниях источника, например струны, мембраны или голосовых связок. Колеблющийся источник то сближает соседние частицы среды, то удаляет их, изменяя давление и плотность вещества. Эти изменения заставляют двигаться следующие частицы, поэтому возмущение постепенно удаляется от источника.

Для звука необходима материальная среда, потому что энергия передаётся через взаимодействие её частиц. В вакууме нет достаточного количества частиц, которые могли бы последовательно передавать колебания. Поэтому между источником и приёмником в пустом пространстве звук не распространяется, хотя свет пройти может.

В газах и жидкостях звук обычно распространяется как продольная волна. Частицы в этом случае колеблются взад и вперёд вдоль направления движения волны, образуя чередующиеся сгущения и разрежения. Такое движение удобно представить как передачу толчков по ряду шариков.

Скорость звука определяется свойствами среды, прежде всего её упругостью и плотностью. Чем быстрее частицы могут передать взаимодействие соседним частицам, тем быстрее распространяется возмущение; большая плотность, напротив, может затруднять это движение. Поэтому одна и та же звуковая волна в разных веществах имеет разные скорости.

В твёрдых телах частицы связаны сильнее, поэтому звук обычно распространяется быстрее, чем в жидкостях и газах. В воздухе скорость зависит от температуры: при нагревании частицы движутся активнее, и передача колебаний ускоряется. Для обычных расчётов часто используют значение около 340 м/с при комнатной температуре.

Распространение звука в разных средах

Сначала определите среду, а затем найдите для неё примерную скорость в таблице. Последние строки помогают проверить два главных вывода: частицы необходимы, а скорость зависит от вещества. Значения являются приблизительными и используются для учебных расчётов.

Разбор задач

Задача 1

Условие: звук в воздухе проходит 680 м за 2 с. Нужно найти скорость звука. Известны путь s = 680 м и время t = 2 с, поэтому единицы уже согласованы.

1. Записываем формулу скорости: v = s/t.
2. Подставляем значения: v = 680 м / 2 с = 340 м/с.
3. Проверяем смысл результата: это обычная скорость звука в воздухе.

Ответ: v = 340 м/с.

Задача 2

Условие: скорость звука в воде равна 1500 м/с, а расстояние составляет 3 км. Для формулы t = s/v сначала переводим расстояние в метры: 3 км = 3000 м.

1. Записываем формулу времени: t = s/v.
2. Подставляем данные: t = 3000 м / 1500 м/с = 2 с.
3. Единица метра сокращается, остаётся секунда — единица времени.

Ответ: звук пройдёт расстояние за 2 с.

Задача 3

Условие: длина рельса 1,7 км, скорость в стали 5000 м/с, а в воздухе 340 м/с. Нужно узнать, на сколько раньше придёт звук по рельсу. Переводим длину: s = 1700 м.

1. Вычисляем время в стали: t₁ = 1700 м / 5000 м/с = 0,34 с.
2. Вычисляем время в воздухе: t₂ = 1700 м / 340 м/с = 5 с.
3. Находим разность: Δt = t₂ − t₁ = 5 с − 0,34 с = 4,66 с.

Ответ: звук по рельсу придёт примерно на 4,66 с раньше.

Типичные ошибки

Звук в вакууме. Ошибка возникает, когда звук путают со светом или радиосигналом, которым среда не нужна. Проверьте себя вопросом: есть ли между источником и приёмником частицы, передающие колебания? Если их нет, звуковая волна пройти не может.

Скорость волны и скорость частиц. Часто считают, что частицы движутся от источника к слушателю с большой скоростью. На самом деле они колеблются около положения равновесия, а по среде распространяется возмущение; сравните направление колебаний и направление движения волны.

Одинаковая скорость во всех веществах. Такое представление появляется, если запомнить только одну величину для воздуха. Сверяйте скорость со свойствами среды: в стали она обычно больше, чем в воде и воздухе.

Непереведённые единицы. Подстановка километров при скорости в м/с даёт неверный результат в тысячу раз. Перед вычислением переведите километры в метры и проверьте, что итоговая единица соответствует искомой величине.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что такое механические колебания и упругая среда: именно они объясняют появление и передачу звука. Колеблющийся источник создаёт возмущение, а свойства среды определяют его распространение.

Тема связана с механическими волнами и формулой скорости движения. Эти знания пригодятся при изучении звуковых явлений, акустики, работы музыкальных инструментов и способов передачи звука.

Что запомнить

• Звук — механическая волна.
• Звук распространяется только в материальной среде.
• В газах и жидкостях звук распространяется как продольная волна.
• Скорость звука зависит от среды.
• В твёрдых телах звук обычно распространяется быстрее, чем в жидкостях и газах.
• Для расчётов используют связь скорости, пути и времени: v = s/t.