Какие утверждения верны?

Звук в воздухе — продольная волна

Скорость звука в воздухе растёт с температурой

В стали звук идёт быстрее, чем в воздухе

Звук в воде — поперечная волна

Распространение звука — 9 класс, физика: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Коротко о главном

Звук — это упругая продольная волна, которая бежит от источника по среде: газу, жидкости или твёрдому телу. В вакууме звук не распространяется. Скорость звука находят по пройденному пути и времени или через длину волны.

v = \frac{s}{t} = \frac{\lambda}{T} = \nu\lambda

Подробное объяснение

Сверкнула молния, а гром пришёл через несколько секунд. Почему не сразу? Свет долетает почти мгновенно, а звуку нужно время, чтобы добежать до нас. Значит, у звука есть скорость — и она не такая уж большая.

Звуку нужна среда

Источник звука — струна, мембрана динамика, голосовые связки — колеблется и толкает соседние частицы среды. Те толкают следующие, и возмущение бежит дальше. Так возникает звуковая волна. Если частиц нет, передавать колебания нечему. Поэтому в вакууме, например в космосе, звук не распространяется. Это легко проверить: если откачивать воздух из-под колпака со звенящим будильником, звон становится всё тише и пропадает, хотя молоточек продолжает стучать.

Звук проводят любые упругие вещества: газы, жидкости, твёрдые тела. Приложите ухо к столу и постучите по дальнему краю — стук будет слышен громче, чем через воздух. Рыбы слышат шаги на берегу, потому что вода хорошо передаёт звук. А вот мягкие и пористые материалы (войлок, пенопласт, пробка) звук плохо проводят: в них он быстро затухает. Их используют для звукоизоляции.

Какая это волна

В газах и жидкостях могут существовать только продольные волны. В воздухе звук — это чередование сгущений (где воздух чуть плотнее) и разрежений (где он чуть реже). Сами частицы воздуха не летят от источника к нам — они лишь качаются туда-обратно около своих мест, а вперёд переносится колебание.

Динамик и слои воздуха перед ним: местами они сгущены, местами разрежены. Длина волны λ — расстояние между соседними сгущениями, звук распространяется вправо. — Звук в воздухе — чередование сгущений и разрежений; расстояние между соседними сгущениями равно длине волны.

Когда волна доходит до уха, она раскачивает барабанную перепонку с той же частотой, с какой колеблется источник. Мозг воспринимает это как звук.

Скорость звука

Скорость звука зависит от среды:

в воздухе при 0 °C — около 332 м/с, при 20 °C — около 343 м/с; в задачах обычно берут 340 м/с;
в воде — около 1480 м/с;
в стали — 5000–6100 м/с.

В жидкостях и твёрдых телах молекулы расположены теснее и сильнее связаны, поэтому колебание передаётся быстрее. В газах скорость звука растёт с температурой и зависит от вида газа: в лёгком водороде звук идёт гораздо быстрее, чем в тяжёлом углекислом газе.

Скорость звука считают по тем же формулам, что и для любой волны:

$v = \dfrac{s}{t}$ — путь $$s$$ (м), делённый на время $$t$$ (с);
$v = \dfrac{\lambda}{T}$ — длина волны $\lambda$ (м), делённая на период $$T$$ (с);
$v = \nu\lambda$ — частота $\nu$ (Гц) умножить на длину волны.

Скорость измеряют в м/с. Важно: частоту звука задаёт источник. При переходе в другую среду частота не меняется, а меняются скорость и длина волны.

Как решать задачи

Определите, в какой среде идёт звук, и возьмите его скорость (воздух — 340 м/с, если не сказано иначе; остальное — из таблицы или условия).
Выясните, что известно: путь и время или частота (период) и длина волны.
Выберите формулу: $$s = vt$$ , $v = \lambda/T$ или $\lambda = v/\nu$ .
Если видно вспышку и потом слышен звук, время распространения света считайте равным нулю: вся задержка — это время движения звука.
Если звук идёт двумя путями (по металлу и по воздуху), найдите время для каждого и сравните.
Проверьте ответ на здравый смысл: гром через 3 с — это около километра, а не 100 км.

Разобранные примеры

База

Далеко ли гроза

Условие

Между вспышкой молнии и раскатом грома прошло 4 с. На каком расстоянии гроза? Скорость звука в воздухе 340 м/с.

Дано

$$t = 4$$ с
$$v = 340$$ м/с

Найти

$$s$$

Решение

Свет доходит мгновенно, поэтому 4 с — время движения звука:

s = vt = 340 \cdot 4 = 1360 \text{ м}

Ответ: 1360 м, примерно 1,4 км.

Средний

Длина волны в воде и в воздухе

Условие

Подводный динамик излучает звук частотой 2000 Гц. Найдите длину волны в воде (скорость звука 1480 м/с). Во сколько раз она больше, чем у такого же звука в воздухе (340 м/с)?

Дано

$\nu = 2000$ Гц
$$v_1 = 1480$$ м/с
$$v_2 = 340$$ м/с

Найти

$\lambda_1$
$\lambda_1/\lambda_2$

Решение

\lambda_1 = \frac{v_1}{\nu} = \frac{1480}{2000} = 0{,}74 \text{ м}, \quad \lambda_2 = \frac{340}{2000} = 0{,}17 \text{ м}

\frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \frac{0{,}74}{0{,}17} \approx 4{,}4

Ответ: 0,74 м; примерно в 4,4 раза больше.

Сложный

Два удара по рельсу

Условие

По концу стального рельса ударили молотком. Человек у другого конца услышал два удара с интервалом 1 с. Какова длина рельса? Скорость звука в стали 5000 м/с, в воздухе 340 м/с.

Дано

$\Delta t = 1$ с
$v_{\text{ст}} = 5000$ м/с
$v_{\text{в}} = 340$ м/с

Найти

$$L$$

Решение

Первый звук пришёл по стали, второй — по воздуху:

\Delta t = \frac{L}{v_{\text{в}}} - \frac{L}{v_{\text{ст}}} \Rightarrow L = \frac{\Delta t}{\dfrac{1}{340} - \dfrac{1}{5000}} \approx 365 \text{ м}

Ответ: Около 365 м.

Типичные ошибки

Считают, что частицы воздуха летят от источника к уху

Почему неверно

Если бы воздух летел от динамика к слушателю, от каждой песни дул бы ветер. На самом деле частицы только колеблются около своих мест.

Как правильно

Переносится колебание (энергия), а не вещество. Каждая частица качается туда-обратно и передаёт движение соседней.

Думают, что при переходе в другую среду меняется частота

Почему неверно

Частоту задаёт источник: сколько раз в секунду он толкает среду, столько раз в секунду колеблются и частицы всех сред по пути.

Как правильно

Частота остаётся прежней, меняются скорость и длина волны: $\lambda = v/\nu$ . В воде волна длиннее, чем в воздухе.

Учитывают время движения света

Почему неверно

Свет идёт около 300 000 км/с, звук — около 340 м/с. На расстояниях в километры свет доходит за миллионные доли секунды.

Как правильно

Вспышку, дым, пар считайте увиденными мгновенно: вся задержка — время движения звука.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

После вспышки молнии гром услышали через 6 с. На каком расстоянии ударила молния? Скорость звука в воздухе 340 м/с.

Подсказка

Свет доходит практически мгновенно, поэтому 6 с — это время движения звука.

Решение

$s = vt = 340 \cdot 6 = 2040$ м.

Ответ

2040 м

База Задача 2

Почему космонавты в открытом космосе не могут разговаривать друг с другом без радиосвязи, даже если стоят рядом?

Подсказка

Что нужно звуку, чтобы распространяться?

Решение

Звук — механическая волна, ей нужна упругая среда. В открытом космосе вещества практически нет, передавать колебания нечему, поэтому голос не доходит до собеседника. По радио сигнал идёт электромагнитной волной, которой среда не нужна.

Ответ

В космосе нет среды, передающей звук

Средний Задача 3

Звук частотой 500 Гц распространяется по стальному рельсу со скоростью 5000 м/с. Найдите длину звуковой волны в рельсе.

Подсказка

Используйте $v = \nu\lambda$ .

Решение

$\lambda = \dfrac{v}{\nu} = \dfrac{5000}{500} = 10$ м.

Ответ

10 м

Средний Задача 4

Источник звука колеблется с периодом 0,004 с и создаёт в воде волну длиной 5,8 м. Найдите скорость звука в воде.

Подсказка

Скорость волны равна длине волны, делённой на период.

Решение

$v = \dfrac{\lambda}{T} = \dfrac{5{,}8}{0{,}004} = 1450$ м/с.

Ответ

1450 м/с

Сложный Задача 5

По одному концу стальной трубы длиной 850 м ударили молотком. Человек у другого конца слышит два удара. Через какое время после первого он услышит второй? Скорость звука в стали 5000 м/с, в воздухе 340 м/с.

Подсказка

Первый звук приходит по металлу, второй — по воздуху. Найдите оба времени.

Решение

По стали: $t_1 = \dfrac{850}{5000} = 0{,}17$ с. По воздуху: $t_2 = \dfrac{850}{340} = 2{,}5$ с.

$\Delta t = t_2 - t_1 = 2{,}5 - 0{,}17 = 2{,}33$ с.

Ответ

2,33 с

Сложный Задача 6

Звук переходит из воздуха в воду. Как меняются при этом частота, скорость и длина звуковой волны?

Подсказка

Частоту задаёт источник, а скорость — среда.

Решение

Частота определяется источником и при переходе не меняется. Скорость в воде примерно в 4,4 раза больше, чем в воздухе (около 1480 и 340 м/с). Из $\lambda = v/\nu$ при той же частоте длина волны растёт во столько же раз.

Ответ

Частота не меняется, скорость и длина волны увеличиваются примерно в 4,4 раза

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Попросите ребёнка приложить ухо к одному краю стола, а сами тихо поскребите ногтем по другому: через стол слышно лучше, чем через воздух. Затем вспомните грозу: «Раз, два, три…» — каждые 3 секунды между вспышкой и громом — это примерно километр. Пружинка-игрушка, если толкнуть её с одного конца, наглядно показывает сгущения и разрежения продольной волны.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему в космосе нельзя услышать взрыв? 2) Где звук быстрее — в воздухе, в воде или в стали? 3) Что меняется, когда звук переходит из воздуха в воду?

На что обратить внимание. Ребёнок должен понимать, что звуку нужна среда и что переносится колебание, а не сам воздух. В задачах частая ошибка — перепутать частоту и период или забыть, что задержка между вспышкой и звуком — это время движения звука.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 32	30