21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #215770

$1)$ В грозовых облаках в восходящих потоках воздуха при контакте и трении ледяных кристаллов, граупеля и капель происходят процессы заряжения; в результате в облаках и между облаками и землей накапливаются большие электрические заряды и возникают значительные разности потенциалов, которые приводят к электрическому пробою воздуха и образованию искровых разрядов — молний.

$2)$ В момент прохождения разряда (молнии) вдоль канала происходит очень быстрое нагревание воздуха до очень высоких температур; это приводит к его быст­рому расширению и образованию ударной волны, распространяющейся в виде звуковой волны — грома. Энергия разряда превращается в тепло и механическую возмущающую импульс волны.

$3)$ Свет от молнии и звук распространяются с очень разными скоростями: скорость света $c$ и скорость звука $v.$ Поэтому вспышку света мы видим почти мгновенно, а звук достигает нас с запозданием, зависящим от расстояния до канала молнии. Временная задержка между вспышкой и первым слышимым громом выражается формулой $$\Delta t=\dfrac{d}{v}-\dfrac{d}{c}$$ поскольку $c\gg v,$ получается приближенно $$\Delta t\approx\dfrac{d}{v}$$ где $d$ — расстояние до места разряда. Численно $c\approx3\cdot10^{8}\ \text{м/с},$ $v\approx330\ \text{м/с}$ (в зависимости от условий).

$4)$ Длительность и «раскатистость» грома объясняются тем, что молния обычно представляет собой длинный, часто разветвленный канал: разные участки канала находятся на разном расстоянии от наблюдателя и по-разному располагаются по направлению и времени испускания звука; каждый участок дает свой звуковой импульс, который доходит в разное время и суммируется. Кроме того, ударная волна по каналу не является точечной — она формируется вдоль протяженного источника, и прямые волны от разных участков, а также отраженные и рассеянные волны от облаков, рельефа и слоев атмосферы приводят к растянутому по времени и неоднородному по тембру звучанию — длительным раскатам грома.

Ответ.
$1)$ Молния — это электрический разряд, возникающий из-за разделения зарядов в облаках и между облаками и землей.
$2)$ Молния нагревает воздух и вызывает его быстрое расширение — источник звука (грома).
$3)$ Свет приходит сначала из-за большой скорости света, а звук позже; временная задержка связана с расстоянием $$\Delta t\approx\dfrac{d}{v}$$
$4)$ Длительность раскатов объясняется протяженностью и разветвленностью канала молнии, различными расстояниями до его участков и наложением прямых и отраженных звуковых волн.