Что нужно знать
Механические волны — это процесс распространения колебаний в упругой среде, сопровождающийся переносом энергии без переноса вещества на большие расстояния. Для распространения механических волн необходима упругая среда: твёрдое тело, жидкость или газ. Волны бывают поперечными, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, и продольными, в которых колебания происходят вдоль этого направления. Основными характеристиками волны являются длина волны λ (м), частота ν (Гц), период T (с) и скорость распространения v (м/с); между ними существует связь v = λν, а период и частота связаны формулой T = 1 / ν. Звук — это механические волны, воспринимаемые человеческим ухом; в воздухе звуковые волны распространяются как продольные волны чередующихся сгущений и разрежений. Скорость звука зависит от свойств среды и температуры: например, при комнатной температуре в воздухе она составляет примерно 340 м/с, а в воде распространяется быстрее. Человек обычно воспринимает звуковые колебания с частотами от 20 до 20 000 Гц: звуки ниже этого диапазона называют инфразвуком, а выше — ультразвуком. Например, эхо возникает при отражении звуковой волны от препятствия и её возвращении к слушателю. Типичная ошибка учеников — считать, что механическая волна переносит само вещество вместе с собой, хотя частицы среды лишь колеблются около положения равновесия, передавая энергию соседним частицам.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют механической волной?
- Процесс распространения колебаний в упругой среде с переносом энергии
- Периодическое изменение температуры окружающей среды
- Перемещение вещества из одной точки пространства в другую
- Процесс распространения электрического заряда в проводнике
Механическая волна представляет собой распространение колебаний в упругой среде. При этом переносится энергия, а частицы среды колеблются около положений равновесия.
2. В каких единицах СИ измеряется длина механической волны?
- В метрах в секунду (м/с)
- В метрах (м)
- В секундах (с)
- В герцах (Гц)
Длина волны λ — это расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. В системе СИ она измеряется в метрах.
3. Чем поперечная механическая волна отличается от продольной?
- Поперечная волна переносит вещество, а продольная — только энергию
- Поперечная волна распространяется только в газах, а продольная — только в твёрдых телах
- В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения, а в продольной — вдоль него
- В поперечной волне частицы колеблются вдоль направления распространения, а в продольной — перпендикулярно ему
Главное различие определяется направлением колебаний частиц относительно направления распространения волны. В поперечной волне эти направления перпендикулярны, а в продольной совпадают.
4. Почему звук не распространяется в вакууме?
- Вакуум полностью поглощает звуковую энергию
- В вакууме отсутствуют источники звуковых колебаний
- В вакууме скорость звука становится бесконечной
- В вакууме отсутствует среда, частицы которой могли бы передавать механические колебания
Звук является механической волной и нуждается в упругой среде для распространения. В вакууме нет частиц, передающих колебания.
5. Какой из перечисленных звуков является ультразвуком?
- Звук частотой 25 000 Гц
- Звук частотой 15 Гц
- Звук частотой 10 000 Гц
- Звук частотой 500 Гц
Ультразвуком называют звуковые колебания с частотой выше 20 000 Гц. Частота 25 000 Гц превышает верхнюю границу слышимого человеком диапазона.
6. Как изменится длина звуковой волны при увеличении частоты в одной и той же среде в 2 раза, если скорость звука не изменяется?
- Увеличится в 4 раза
- Уменьшится в 2 раза
- Не изменится
- Увеличится в 2 раза
Согласно формуле v = λν, длина волны λ = v / ν. При постоянной скорости увеличение частоты в 2 раза приводит к уменьшению длины волны в 2 раза.
7. Скорость распространения волны равна 12 м/с, а её длина — 3 м. Чему равна частота колебаний?
Используем формулу v = λν. Тогда ν = v / λ = 12 / 3 = 4 Гц.
8. Частота звуковой волны равна 200 Гц. Чему равен период колебаний?
Период связан с частотой формулой T = 1 / ν. Подставляем значения: T = 1 / 200 = 0,005 с.
9. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Какое расстояние он пройдёт за 2 секунды?
Расстояние определяется формулой s = vt. Подставляем значения: s = 340 · 2 = 680 м.
10. Звуковая волна в воздухе имеет частоту 170 Гц. Скорость звука равна 340 м/с. Чему равна длина волны?
Используем формулу λ = v / ν. Получаем: λ = 340 / 170 = 2 м.
11. Почему при ударе по одному концу длинного металлического рельса звук по металлу достигает другого конца быстрее, чем по воздуху?
- Потому что в воздухе механические волны распространяться не могут
- Потому что в металле звуковые волны распространяются без передачи энергии
- Потому что в металле скорость распространения звуковых колебаний обычно выше, чем в воздухе
- Потому что частота звука в металле обязательно увеличивается
Скорость звука зависит от свойств среды. В твёрдых телах она обычно значительно выше, чем в газах, поэтому звук по металлическому рельсу доходит быстрее.
12. Человек услышал эхо через 2 секунды после хлопка. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. На каком расстоянии от человека находится отражающая поверхность?
За 2 секунды звук прошёл путь до препятствия и обратно. Расстояние до поверхности равно половине общего пути: s = vt / 2 = 340 · 2 / 2 = 340 м.