Распространение звука. Звуковые волны

Источником любого звука, который мы слышим, является тело, совершающее колебания, которые могут распространяться в среде. Мы описываем это распространение с помощью понятия волн — возмущений (изменения некоторых физических величин), постепенно удаляющихся от места их возникновения.

В курсе физики 9 класса мы рассматриваем только упругие бегущие волны (рисунок 1). Они могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах. При этом идет передача энергии из одной точки в другую без переноса вещества. Охарактеризовать такие волны мы можем с помощью целого набора физических величин: амплитуды, периода и частоты колебаний, длины волны и ее скорости.

Одним из частных случаев упругих бегущих волн являются звуковые волны. На данном уроке мы рассмотрим, как они распространяются в различных средах, узнаем, чему равна скорость звука в них и научимся ее рассчитывать.

Распространение звука в среде

Звуковая волна — это упругая бегущая волна, источником которой является колеблющееся тело с частотой колебаний от $20$ до $20 \space 000 \space Гц$.

Так как по определению звуковая волна является упругой, она может распространяться только в упругих средах. Рассмотрим различные среды и небольшие опыты по распространению звука в них.

{"questions":[{"content":"Звуковые волны являются [[fill_choice_big-57]].","widgets":{"fill_choice_big-57":{"type":"fill_choice_big","options":["упругими","стоячими","неупругими","деформационными"],"answer":0}},"explanation":"Упругие волны распространяются в упругих средах."}]}

Газ и вакуум

Обычно мы слышим звук, находясь на каком-то расстоянии от его источника. При этом звук доходит до нас по воздуху, который является упругой средой.

Логично предположить, что если удалить звукопередающую среду (воздух) между источником звука и слушателем (приемником), то звук распространяться не будет. Проверим это утверждение на опыте.

Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник (рисунок 2). Срабатывает звонок. Пока внутри находится воздух, мы прекрасно слышим этот звук. Отключать мы его пока не будем.

Теперь начнем откачивать из-под колокола со звенящим будильником воздух. Постепенно звук будет ослабевать. Когда мы откачаем весь воздух из-под колокола, звук пропадет, мы перестанем его слышать.

Получается, что без передающей упругой среды колебания звонка не распространяются. Если мы впустим под колокол воздух, то снова услышим звон.

Здесь стоит отметить, что звуковая волна — продольная. Такие волны могут распространяться в газах, жидкостях и твердых телах, тогда как поперечные волны — только в твердых телах. Поэтому звук в воздухе передается чередующимися сгущениями и разрежениями молекул, идущих от источника колебаний (рисунок 3).

{"questions":[{"content":"Звук [[fill_choice_big-62]] распространяться в вакууме.","widgets":{"fill_choice_big-62":{"type":"fill_choice_big","options":["не может","может"],"answer":0}}}]}

Твердые тела

Звук хорошо проводят твердые упругие вещества. Например, это могут быть металлы, древесина, стекло.

Чтобы в этом убедиться, нам понадобятся механические карманные или наручные часы. Положим их на конец деревянной доски (рисунок 4). Сами же отойдем к другому ее концу. Когда мы приложим ухо к доске, то услышим ход (тиканье) часов. Значит, древесина действительно отлично проводит звук.

Можно провести еще один простой эксперимент. Для этого мы привяжем бечевку к металлической ложке (рисунок 5). Растянем бечевку и приложим ее свободный конец к уху. Если ударить по ложке, то мы услышим сильный звук. А если заменить бечевку проволокой, то звук станет еще громче.

Звук может распространяться во всех твердых телах, но не всегда хорошо. Мягкие и пористые тела плохо проводят звук. По этой причине, если хотят защитить какое-то помещение от посторонних звуков или, наоборот, не пропускать звуки за пределы  помещения, стены, пол и потолок прокладывают звукопоглощающими материалами. Это может быть войлок, прессованная пробка, пористые камни, пенопласт. Звуковые волны при прохождении через такие материалы быстро затухают.

Если в газах и жидкостях звук распространяется только посредством продольных волн, то в твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными.

{"questions":[{"content":"Какие твердые материалы хорошо проводят звук?[[choice-64]]","widgets":{"choice-64":{"type":"choice","options":["металлы","древесина","войлок","пенопласт"],"answer":[0,1]}},"explanation":"Пенопласт и войлок — это пористые материалы, которые плохо проводят звук."}]}

Жидкости

Жидкости являются хорошими проводниками для звука. Опытным рыболовам известно, что рыбы в водоеме могут хорошо слышать шаги и голоса на берегу. Также под водой хорошо слышны звуки, издаваемые водными транспортными средствами, удары камней и др.

Жидкости и твердые тела лучше проводят звук, чем газы. Это обусловлено их молекулярным строением (рисунок 6). Чем ближе молекулы вещества расположены друг к другу и сильнее взаимодействуют между собой, тем эффективнее передаются колебания от источника.

{"questions":[{"content":"Звуковые волны [[fill_choice_big-70]] в воде.","widgets":{"fill_choice_big-70":{"type":"fill_choice_big","options":["хорошо распространяются","не распространяются","быстро затухают","плохо распространяются"],"answer":0}}}]}

Скорость распространения звука

Звуковые волны распространяются в среде не мгновенно, а с определенной скоростью.

В этом можно убедиться, наблюдая, например, за стрельбой из ружья. Когда стрелок нажимает на курок, сначала мы видим огонь и дым, и только через несколько секунд слышим звук выстрела (рисунок 7).

При выстреле первое звуковое колебания происходит в момент появления дыма. Засекаем время $t$ до того момента, когда звуковые колебания доходит до наших ушей. Зная расстояние до стрелка, теперь мы можем рассчитать скорость распространения звука.

$\upsilon = \frac{s}{t}$.

Подобные многочисленные измерения показали, что скорость звука в воздухе при $0 \degree C$ и нормальном атмосферном давлении равна $332 \frac{м}{с}$.

Подобным примером может являться молния и гром. Сначала мы видим молнию и только через какое-то время до наших ушей доносятся раскаты грома. Звуковым волнам нужно какое-то время, чтобы преодолеть расстояние до наблюдателя-слушателя.

{"questions":[{"content":"Звуковые волны распространяются в упругих средах [[fill_choice_big-77]].","widgets":{"fill_choice_big-77":{"type":"fill_choice_big","options":["с определенной скоростью","мгновенно"],"answer":0}}}]}

Скорость звука в газах и температура

С повышением температуры газов увеличивается их упругость, возрастают упругие силы, действующие между молекулами при деформации среды. При этом увеличивается подвижность частиц. Колебания начинают быстрее передаваться от одной точки к другой.

Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура.

Например, при $20 \degree C$ скорость звука в воздухе равна $343 \frac{м}{с}$, при $60 \degree C$ — $366 \frac{м}{с}$, а при $100 \degree C$ — $387 \frac{м}{с}$.

{"questions":[{"content":"При увеличении температуры газа скорость звука, распространяющегося в нем, [[fill_choice_big-79]].","widgets":{"fill_choice_big-79":{"type":"fill_choice_big","options":["увеличивается","уменьшается","не изменяется"],"answer":0}}}]}

Скорость звука в различных средах

Скорость звуковой волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется. Например, молекулы водорода являются менее массивными и менее инертными, чем молекулы углекислого газа. Поэтому в водороде определенной температуры звук будет распространяться намного быстрее, чем в углекислом газе. При $0 \degree C$ скорость звука в первом случае составляет $1284 \frac{м}{с}$, а во втором — $259 \frac{м}{с}$.

Современные ученые могут измерить скорость звука в любой среде. В таблице 1 представлена значения скорости звука в некоторых средах при температуре $20 \degree C$. Эти значения мы будем использовать при решении задач.

{"questions":[{"content":"Скорость звука в медной проволоке равна [[fill_choice_big-82]] $\\frac{м}{с}$.","widgets":{"fill_choice_big-82":{"type":"fill_choice_big","options":["$4700$","$3850$","$343$","$1483$"],"answer":0}},"explanation":"Значения скоростей звука в разных средах приведены в таблице 1."}]}

Длина звуковой волны и скорость звука

Для звуковых волн справедливы уже известные нам формулы для длины волны. Мы можем их использовать, чтобы рассчитать скорость звука в той или иной среде, если нам известна длина волны и период (или частота) колебаний источника звука.

$\upsilon = \frac{\lambda}{T}$,
$\upsilon = \nu \lambda$.

{"questions":[{"content":"Если нам известна частота колебаний источника и скорость распространения звука, то длину этой звуковой волны можно рассчитать по формуле [[fill_choice_big-87]].","widgets":{"fill_choice_big-87":{"type":"fill_choice_big","options":["$\\lambda = \\frac{\\upsilon}{\\nu}$","$\\lambda = \\upsilon \\nu$","$\\lambda = \\frac{\\nu}{\\upsilon}$","$\\lambda = \\frac{\\upsilon^2}{2 \\nu}$"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

Может ли звук сильного взрыва на Луне быть слышен на Земле? Ответ обоснуйте.

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 2

Если к каждому из концов нити привязать по одной половинке мыльницы, то с помощью такого «телефона» можно переговариваться даже шепотом, находясь в разных комнатах. Объясните явление.

Посмотреть ответ

Скрыть

Дано:
$T = 0.002 \space с$
$\lambda = 2.9 \space м$

$\upsilon — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Дано:
$\nu = 725 \space Гц$
$\upsilon_1 = 340 \frac{м}{с}$
$\upsilon_2 = 1483 \frac{м}{с}$
$\upsilon_3 = 5500 \frac{м}{с}$

$\lambda_1 — ?$
$\lambda_2 — ?$
$\lambda_3 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Упражнение № 5

По одному концу длинной металлической трубы один раз ударили молотком. Будет ли звук от удара распространяться ко второму концу трубы по металлу; по воздуху внутри трубы? Сколько ударов услышит человек, стоящий у другого конца трубы?

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 6

Наблюдатель, стоящий около прямолинейного участка железной дороги, увидел пар над свистком идущего вдали паровоза. Через $2 \space с$ после появления пара он услышал звук свистка, а через $34 \space с$ паровоз прошел мимо наблюдателя. Определите скорость движения паровоза. Скорость звука в воздухе равна $340 \frac{м}{с}$.

Дано:
$t_1 = 2 \space с$
$t_2 = 34 \space с$
$\upsilon_1 = 340 \frac{м}{с}$

$\upsilon_2 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы