"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Звуковая волна — это колебания, которые распространяются в упругой среде и могут быть услышаны человеком. Её создаёт колеблющееся тело, а частицы среды передают возмущение соседним частицам, сами оставаясь около своего положения равновесия. Поэтому звук не проходит через вакуум. Скорость звука зависит от среды и её состояния: например, в воздухе она составляет около 340 м/с. Знание этой скорости помогает определять расстояния по эху и находить время распространения звука.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания, которые могут быть восприняты слухом. Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и способны передавать возмущение соседям. Это понятие помогает понять, почему звук может идти через воздух, воду или стену, но не через пустоту.
Звук — воспринимаемые человеком звуковые колебания и волны. Обычно ухо слышит колебания с частотой примерно от 20 до 20 000 Гц, хотя границы слуха у разных людей отличаются. Это определение связывает физическое явление с тем, что мы ощущаем.
Источник звука — тело, которое колеблется и возбуждает звуковые волны. Например, струна гитары после щипка колеблется и заставляет колебаться воздух вокруг неё. По этому признаку можно объяснить происхождение звука, а не только его распространение.
Скорость звука — скорость, с которой звуковая волна распространяется в данной среде. Её обозначают c и выражают, например, в метрах в секунду. Скорость нужна, чтобы находить путь или время распространения звука.
Когда источник начинает колебаться, он толкает ближайшие частицы среды и затем отступает. Частицы смещаются около своих положений равновесия и взаимодействуют с соседними, передавая им колебания. Так возмущение распространяется дальше от источника, хотя сами частицы не путешествуют вместе с волной на большие расстояния. Энергия переносится волной, а вещество в целом остаётся на месте.
Передавать колебания могут частицы вещества, потому что они взаимодействуют друг с другом. В упругой среде смещение частиц вызывает силы, возвращающие их к равновесию, и эти силы помогают передать возмущение дальше. В вакууме частиц нет, поэтому передавать механические колебания нечему. Именно поэтому звук не распространяется в космосе так, как свет.
В газе частицы колеблются вдоль направления распространения звука. В одних местах они на короткое время сближаются — образуется область сжатия, а в других расстояния между ними увеличиваются — возникает разрежение. Эти чередующиеся области последовательно передают колебания по воздуху. Поэтому газовая звуковая волна является продольной: частицы колеблются вдоль направления движения волны.
Скорость звука не одинакова во всех веществах, потому что частицы и связи между ними устроены по-разному. Чем эффективнее взаимодействие частиц передаёт колебания, тем быстрее может распространяться волна; на результат влияют также плотность, упругость и температура среды. Поэтому звук в воде и твёрдых телах обычно распространяется быстрее, чем в воздухе. Даже в одной и той же среде изменение температуры может изменить скорость звука.
Скорость звука можно измерить по эху, если известны расстояние до большой преграды и время между сигналом и его возвращением. Сначала звук проходит от источника до преграды, затем отражается и возвращается, поэтому общий путь равен удвоенному расстоянию. Если расстояние до преграды обозначить l, а время эха — t, то c = 2l / t. Такой способ применим, когда отражённый сигнал можно различить и точно измерить время.
| Среда | Может ли распространяться звук | От чего зависит скорость | Пример значения скорости |
|---|---|---|---|
| Газы (например, воздух) | Да | От свойств газа и температуры | В воздухе — около 340 м/с |
| Жидкости (например, вода) | Да | От упругости, плотности и температуры жидкости | В воде — около 1500 м/с |
| Твёрдые тела (например, сталь) | Да | От упругости, плотности и строения тела | В стали — около 5000 м/с |
| Вакуум | Нет | Скорость звука не определяется: нет среды | Звук не распространяется |
Таблица показывает, что скорость зависит не только от того, газ это, жидкость или твёрдое тело, но и от свойств конкретной среды. Приведённые числа — примерные значения: при других условиях они могут отличаться. Для решения задач выбирай скорость, указанную в условии, или значение, подходящее к описанной среде.
Эхо вернулось через 2 с после сигнала. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Найдём расстояние до преграды. Время 2 с относится ко всему пути звука: сначала до преграды, затем обратно.
Ответ: расстояние до преграды равно 340 м. Деление на два необходимо, потому что звук возвращается к наблюдателю после отражения.
Звук прошёл 1020 м в воздухе со скоростью 340 м/с. Требуется найти время его распространения. Здесь указан именно путь в одну сторону, поэтому учитывать возвращение эха не нужно.
Ответ: звук преодолел расстояние за 3 с. Проверка: 340 м/с · 3 с = 1020 м, значит, вычисление согласуется с условием.
Наблюдатель увидел вспышку и услышал звук через 5 с. Скорость звука равна 340 м/с; нужно оценить расстояние до источника. Свет доходит практически мгновенно по сравнению со звуком, поэтому задержку принимаем за время распространения звуковой волны.
Ответ: источник находится примерно в 1,7 км. В расчёте учитывается время распространения звука, а временем движения света пренебрегают.
Ошибка — считать, что звук распространяется в вакууме. Так думают, потому что космос не пуст во всех смыслах и свет там проходит, но для звука требуется материальная среда. Проверь себя вопросом: есть ли частицы, которые могут передавать колебания? Если среды нет, звук не распространяется.
При расчёте расстояния по эху иногда забывают, что звук возвращается к слушателю. Тогда за путь до преграды ошибочно принимают весь путь, пройденный волной. Нарисуй маршрут «туда и обратно»: если известно время всего эха, расстояние равно c · t / 2.
Неверно полагать, что скорость звука одинакова в любой среде. Это заблуждение возникает, если запомнить лишь одно значение — например, для воздуха — и применять его всегда. Проверь условие задачи: в нём могут быть указаны другая среда, температура или скорость, которые необходимо учесть.
Частицы среды не перемещаются от источника к слушателю вместе со звуком. Ошибка возникает из-за того, что представляют волну как поток частиц, хотя частицы лишь колеблются около положения равновесия. Проверка простая: различай движение частиц и распространение возмущения — волна передаёт энергию, а не переносит всю среду.
Для понимания звуковой волны нужны знания о механических колебаниях: звук начинается с колебаний источника и передаётся через упругую среду. Представление о волнах помогает отличать движение самого вещества от распространения возмущения. Эти понятия объясняют, как звук возникает и почему ему нужна среда.
Связь скорости, пути и времени применяется при изучении эха и акустики. По задержке отражённого сигнала можно оценить расстояние до преграды, а по задержке грома — до источника звука. Во всех таких задачах важно правильно определить, измеряется путь в одну сторону или туда и обратно.
Почему в космосе нельзя услышать звук?
Звук передаётся от частицы к частице в материальной среде, например в газе или твёрдом теле. В космосе между телами почти вакуум, поэтому звуковой волне нечего колебать.
Почему звук распространяется в разных средах с разной скоростью?
Скорость зависит от того, насколько легко частицы среды передают колебания друг другу, а также от плотности и упругости среды. Поэтому в воздухе, воде и стали скорость звука различается.
Почему мы сначала видим молнию, а потом слышим гром?
Свет распространяется намного быстрее звука, поэтому вспышка доходит до наблюдателя почти мгновенно. Гром проходит то же расстояние медленнее, и возникает заметная задержка.
Как по эху определить расстояние до преграды?
Нужно измерить время от сигнала до возвращения эха и умножить его на скорость звука. Получится путь туда и обратно, поэтому результат делят на два: расстояние до преграды равно c · t / 2.
Колеблются ли частицы воздуха вместе со звуковой волной?
Да, частицы воздуха колеблются около своих положений равновесия и передают колебания соседним частицам. Они не летят от источника к слушателю вместе со звуком: распространяется возмущение, а не сама воздушная масса.
17. Звуковые волны. Скорость звука
