"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Скорость звука показывает, какое расстояние проходит звуковая волна за секунду. Она помогает оценивать расстояние до источника звука, например по задержке между вспышкой молнии и громом, а также измерять глубину водоёма с помощью эха. Звук передаётся колебаниями частиц вещества, поэтому ему нужна материальная среда. Скорость зависит от её свойств: в воздухе она составляет около 340 м/с, в воде и твёрдых телах обычно больше.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость звука — расстояние, которое звуковая волна проходит за единицу времени; её обозначают буквой v и измеряют в метрах в секунду (м/с). Иначе говоря, скорость показывает, насколько быстро звук добирается от одного места до другого. Зная её, можно связать время распространения звука с пройденным расстоянием.
Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, передающие звук. Частицы среды колеблются около своего положения равновесия и передают движение соседним частицам. Благодаря этому звуковое возмущение перемещается дальше, даже если сами частицы не летят от источника к слушателю.
Среда распространения звука — вещество, в котором передаются звуковые колебания: газ, жидкость или твёрдое тело. Например, звук может идти через воздух, воду или стальную деталь. Это понятие нужно, чтобы понимать, почему скорость звука и возможность его распространения зависят от того, что находится между источником и слушателем.
Эхо — отражённый звук, услышанный отдельно от первоначального звука. Оно возникает, когда звуковая волна встречает препятствие и возвращается к слушателю. По времени возвращения эха можно определить расстояние до поверхности, если известна скорость звука.
Скорость звука находят так же, как скорость равномерного движения: v = s/t. Здесь v — скорость, s — расстояние, которое прошёл звук, а t — время его распространения. Если известны скорость и время, расстояние рассчитывают по формуле s = vt. Для верного результата расстояние и время должны быть выражены в согласованных единицах, например метрах и секундах.
Звук не распространяется в вакууме, потому что для передачи колебаний нужны частицы вещества. Колеблющаяся частица передаёт движение соседним частицам, и так возмущение проходит через среду. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать колебания нечему. Именно поэтому в открытом космосе нельзя услышать звук, летящий через пустоту.
В разных средах звук распространяется с разной скоростью, так как вещества различаются расположением частиц и тем, как взаимодействуют частицы между собой. Чтобы колебание передавалось дальше, частицы должны влиять друг на друга. Важны также состояние вещества и его температура. Поэтому при расчёте нельзя брать одно значение скорости для воздуха, воды и твёрдого тела.
В твёрдых телах звук обычно распространяется быстрее, чем в жидкостях и газах. Частицы твёрдого тела находятся близко друг к другу и связаны взаимодействием, поэтому колебание передаётся между ними быстро. В жидкостях и особенно в газах частицы расположены иначе, и передача возмущения обычно занимает больше времени. Это общее сравнение, а точная скорость зависит от конкретного вещества.
Если до наблюдателя дошли два сигнала, между которыми известна задержка, по ней можно оценить расстояние до источника. Например, свет вспышки молнии приходит практически мгновенно по сравнению со звуком грома. Поэтому задержку между вспышкой и громом принимают за время распространения звука и находят расстояние по формуле s = vt. Такой подсчёт даёт оценку: скорость звука зависит от условий, а путь до источника может быть не совсем прямым.
На графике сравниваются приблизительные скорости звука в воздухе, воде и стали. Столбцы показывают, насколько быстрее распространяется звук в воде и твёрдом теле по сравнению с воздухом. Значения помогают увидеть общий порядок скоростей, но в реальных условиях они могут меняться.
В таблице собраны примерные значения скорости звука. Они нужны для оценок и расчётов, но не являются одинаковыми при любых условиях: на результат влияют свойства вещества, а для воздуха особенно важна температура.
| Среда | Примерная скорость звука, м/с | Условия или примечание |
|---|---|---|
| Воздух | 340 | При комнатной температуре; значение приблизительное |
| Вода | 1500 | Приблизительное значение, зависит от условий |
| Сталь | 5000 | Приблизительное значение для твёрдого тела |
| Сравнение газов, жидкостей и твёрдых тел | Обычно: газ < жидкость < твёрдое тело | Скорость определяется свойствами конкретной среды |
| Температура воздуха | При нагревании скорость обычно увеличивается | Значение 340 м/с подходит для обычных условий |
Чтобы оценить время распространения, разделите расстояние на скорость, а чтобы найти расстояние — умножьте скорость на время. Сначала выберите строку для нужной среды и проверьте, подходят ли указанные условия. Если температура или материал отличаются, табличное число следует считать приближённым.
Задача 1. Звук от источника дошёл до наблюдателя через 2 с. Какое расстояние прошла звуковая волна в воздухе, если её скорость равна 340 м/с?
Ответ: звуковая волна прошла 680 м.
Задача 2. Между вспышкой молнии и раскатом грома прошло 5 с. Оценим расстояние до места разряда, пренебрегая временем распространения света.
Ответ: около 1700 м, или 1,7 км.
Задача 3. Эхолот послал звуковой импульс ко дну и получил отражённый сигнал через 0,8 с. Скорость звука в воде равна 1500 м/с. Найдём глубину водоёма.
Ответ: глубина водоёма равна 600 м.
При расчёте по вспышке и грому иногда пытаются учесть время распространения света как время, за которое звук проходит расстояние. Но свет приходит практически мгновенно по сравнению со звуком, поэтому задержку принимают за время звука. Чтобы проверить себя, спросите: какой сигнал в наблюдении заметно задерживается? Здесь это гром.
В задаче с эхом могут принять весь путь импульса за глубину. Ошибка возникает потому, что забывают о возвращении сигнала от дна к эхолоту. Проверьте, описывает ли данное время путь в одну сторону или туда и обратно: во втором случае глубина равна половине полного пути.
Нельзя использовать скорость звука в воздухе, если волна идёт через воду или твёрдое тело. Часто выбирают знакомое число 340 м/с, не проверяя среду, хотя скорость от неё зависит. Перед подстановкой величин выпишите, где распространяется звук, и выберите подходящее значение.
Скорость звуковой волны не следует путать со скоростью колеблющихся частиц среды. Частицы совершают колебания около положения равновесия, а волна переносит возмущение дальше. Ошибка появляется, когда движение частиц представляют как их путешествие от источника к слушателю. Проверка: спросите себя, что именно перемещается на большое расстояние — частицы или колебание.
Для решения задач о звуке нужно знать формулу скорости равномерного движения v = s/t и уметь переводить единицы расстояния и времени. Также помогает понятие механической волны: она переносит возмущение в среде. Отражение волн объясняет, как возникает эхо и почему отражённый сигнал возвращается к источнику.
Скорость звука используют, чтобы объяснить задержку между молнией и громом и оценить расстояние до грозы. На принципе отражения звука работает эхолот, измеряющий глубину водоёма. Звуковые волны применяют и в ультразвуковой диагностике, а измерение времени их прохождения помогает определять расстояния.
Почему мы сначала видим молнию, а потом слышим гром?
Свет от молнии доходит до нас намного быстрее, чем звук грома. Поэтому вспышку мы видим почти сразу, а звук слышим с задержкой. По этой задержке можно приблизительно оценить расстояние до места разряда.
Может ли звук распространяться в космосе?
В открытом космосе звук не распространяется, потому что там почти нет частиц, которые могли бы передавать колебания. Звуку нужна материальная упругая среда. Внутри космического корабля звук передаётся через воздух и конструкции.
Почему звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе?
В воде частицы расположены ближе друг к другу, чем в воздухе, и могут передавать колебания соседним частицам быстрее. Поэтому скорость звука в воде больше. Точное значение зависит от свойств воды и условий.
Как с помощью эха измеряют глубину водоёма?
Посылают звуковой импульс ко дну и измеряют время до возвращения отражённого сигнала. За это время звук проходит путь вниз и обратно. Чтобы найти глубину, полный путь вычисляют по формуле s = vt, а затем делят пополам.
Изменяется ли скорость звука при изменении температуры воздуха?
Да, в воздухе скорость звука зависит от температуры. При нагревании воздуха она обычно увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Поэтому значение 340 м/с считают приблизительным и указывают для обычных условий.
§ 44. Скорость звука
