3.25. Механические волны. Звук

Теоретическая справка

Механические волны – это процесс распространения колебаний в упругой среде.

Продольные Поперечные
Колебание частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения волны Колебание частиц среды происходит в направлении распространения волны
Поперечная волна представляет собой чередование горбов и впадин. Поперечные волны возникают вследствие сдвига слоев среды относительно друг друга, поэтому они распространяются в твердых телах. Продольная волна представляет собой чередование областей уплотнения и разряжения. Продольные волны возникают из-за сжатия и разряжения среды, поэтому они могут возникать в жидких, твердых и газообразных средах.

Важно! Механические волны не переносят вещество среды. Они переносят энергию, которая складывается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии ее упругой деформации. 

Длина волны – это расстояние, на которое волна распространяется за один период, т. е. это кратчайшее расстояние между двумя точками среды, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначение – $\lambda $, единица измерения – м.

Расстояние между соседними гребнями или впадинами в поперечной волне и между соседними сгущениями или разряжениями в продольной волне равно длине волны.

$\lambda =vT=\frac{v}{\nu}$,

где $v$ – скорость волны, $\nu$ – частота колебаний, $T$ – период колебаний.

Скорость распространения волны – это скорость перемещения горбов и впадин в поперечной волне и сгущений или разряжений в продольной волне.

Звук– это механические волны, воспринимаемые органом слуха. Инфразвук – волны, с частотой меньше 16 Гц; звук – волны, с частотой от 16 Гц до 20 кГц; ультразвук – волны, с частотой более 20 кГц.

Скорость звука зависит от: упругих свойств среды — в воздухе – 331 м/с, в воде – 1400 м/с, в металле – 5000 м/с и от температуры — в воздухе при температуре 0°С – 331 м/с, в воздухе при температуре +15°С – 340 м/с.

Важно!! Звук в вакууме не распространяется.

Характеристики звуковой волны

  1. Громкость – зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне. Чем больше амплитуда, тем громче звук;
  2. Высота тона – зависит от частоты колебаний. Чем больше частота, тем выше звук.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. В бассейне под водой установлен динамик, излучающий звук определенной частоты. Часть звуковой волны отражается от поверхности воды, а часть преломляется и проходит в воздух. Известно, что скорость звука в воде больше скорости звука в воздухе. Как при переходе из воды в воздух меняется частота звука и длина звуковой волны?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Частота звука Длина звуковой волны
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

При переходе звуковой волны из одной среды в другую ее частота не меняется. Длина звуковой волны связана с ее скоростью и частотой соотношением $\lambda =\frac{v}{\nu}$. Из этой формулы следует, что при уменьшении скорости звуковой волны, длина волны также уменьшится.

Ответ: 32

[свернуть]

2. Установите соответствие между физическими понятиями и примерами этих понятий. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ ПРИМЕРЫ
А) физическая величина

Б) физическое явление

В) физический закон (закономерность)

1) угол отражения звуковой волны на границе двух сред, равный углу падения
2) источник звуковой волны
3) эхолот
4) огибание звуковой волной деревьев в лесу
5) амплитуда звуковой волны

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) физическая величина — амплитуда звуковой волны;

Б) физическое явление — огибание звуковой волной деревьев в лесу;

В) физический закон (закономерность) — угол отражения звуковой волны на границе двух сред, равный углу падения.

Ответ: 541

[свернуть]

3. Сравните громкость звука и высоту тона двух звуковых волн, излучаемых камертонами, если для первой волны амплитуда А1 = 4 мм и частота ν1 = 600 Гц, для второй волны А2 = 2 мм и частота ν2 = 600 Гц.

1) громкость звука и высота тона одинаковы
2) громкость звука одинакова, высота тона первого камертона больше, чем второго
3) высота тона одинакова, громкость первого звука больше, чем второго
4) громкость звука и высота тона различны

Нажмите, чтобы увидеть решение

Амплитуда первой волны больше, значит его громкость больше. Частоты звуков одинаковы, значит высота их тона одинакова.

Ответ: 3

[свернуть]

4. На рис. 1 представлены диапазоны слышимых звуков для человека и различных животных, а на рис. 2 – диапазоны, приходящиеся на инфразвук, звук и ультразвук.Используя данные рисунков, из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.

1) Частота ультразвука выше частоты инфразвука.
2) Из представленных животных наиболее широкий диапазон слышимых звуков имеет дельфин.
3) Диапазон слышимых звуков у собаки сдвинут в область инфразвука по сравнению с человеческим диапазоном.
4) Звуки с частотой 100 Гц слышат и волнистый попугай, и кошка.
5) Звуковой сигнал, имеющий в воздухе длину волны 3 м, слышат все представленные животные и человек. (Скорость звука в воздухе равна 340 м/с.)

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. Согласно рисунку 2, частота ультразвука более 20000 Гц, а инфразвука менее 16 Гц1.

Утверждение 2 — верно. Согласно рисунку 1 у дельфина действительно самый широкий диапазон слышимых звуков (от 0,04 кГц до 200 кГц).

Утверждение 3 — неверно. Диапазон слышимых звуков у собаки сдвинут в область ультразвука по сравнению с человеческим диапазоном.

Утверждение 4 — неверно. Звук с частотой 100 Гц = 0,1 кГц кошка не услышит.

Утверждение 5 — неверно. Найдем частоту звука: $\nu =\frac{v}{\lambda}$, $\nu =\frac{340}{3} \approx 113,3$ Гц. Этот звук не услышит, например, летучая мышь.

Ответ: 12

[свернуть]

5. Александр поместил свой мобильный телефон на подставку с войлочным покрытием под колокол воздушного насоса и откачал весь воздух (см. рисунок). Услышит ли в этом случае Александр звонок от друга? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, не услышит.

Пояснение. После того как весь воздух будет откачан из под колокола, образуется вакуум. Как известно, в вакууме звук не распространяется, войлок также плохо проводит звук, значит звук от телефона слышен не будет.

[свернуть]

6. Может ли в безоблачную погоду возникнуть эхо в степи? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, не может.

Пояснение. Эхо — результат отражения звука от некоторого препятствия. Степь представляет собой ровную поверхность, покрытую травянистыми растениями, отсутствие лесов. В безоблачную погоду в степи нет препятствий от которых будет отражаться звук, значит эхо в степи не возникнет.

[свернуть]

7. Слышит ли лётчик звук работы реактивного двигателя, если самолёт летит со сверхзвуковой скоростью, а двигатель находится позади пилота? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: да, звук работы двигателя будет слышен.

Пояснение. При работе двигателя звук будет распространяться не только по воздуху, но и по металлическим деталям, например, корпуса самолета. Скорость распространения звука в металлах значительно выше скорости распространения звука в воздухе и скорости самого самолета, поэтому звук работающего двигателя будет слышен в кабине пилота.

[свернуть]

8. Можно ли услышать грохот мощных процессов, происходящих на Солнце? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, нельзя.

Пояснение. Пространство между Солнцем и Землей ничем не заполнено — вакуум. В вакууме звуковые волны не распространяются, поэтому грохот процессов, происходящих на Солнце, не будет слышен на Земле.

[свернуть]

9. Звуковые волны могут распространяться

1) только в газах
2) только в жидкостях
3) только в твёрдых телах
4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

Нажмите, чтобы увидеть решение

Звуковые волны могут распространяться во всех средах: твердой, жидкой и газообразной.

Ответ: 4

[свернуть]

10. Примером продольной волны является

1) звуковая волна в воздухе
2) волна на поверхности моря
3) радиоволна в воздухе
4) световая волна в воздухе

Нажмите, чтобы увидеть решение

Радиоволны и световые волны относятся к поперечным электромагнитным волнам. Волны на поверхности воды — более сложное образование: это результат одновременно и поперечных и продольных волн. Звуковые волны относятся к продольным. Они представляют собой колебания разреженности слоев воздуха.

Ответ: 1

[свернуть]

12. На рисунке представлены графики изменения давления воздуха Δp от времени t для звуковых волн, издаваемых двумя камертонами. Сравните амплитуду изменения давления и высоту тона волн.

1) Амплитуда изменения давления одинакова; высота тона первого звука больше, чем второго.
2) Высота тона одинакова; амплитуда изменения давления в первой волне меньше, чем во второй.
3) Амплитуда изменения давления и высота тона одинаковы.
4) Амплитуда изменения давления и высота тона различны.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Амплитуда первой волны больше, значит его громкость больше. Частота первой звуковой волны больше (т.к. период колебаний меньше), значит тон первого звука выше.

Ответ: 3

[свернуть]

13. Летучие мыши ориентируются в пространстве благодаря эхолокации. Какое физическое явление лежит в основе эхолокации?

1) отражение звуковой волны
2) преломление звуковой волны
3) отражение световой волны
4) преломление световой волны

Нажмите, чтобы увидеть решение

В основе эхолокации лежит явление отражения звуковой волны.

Ответ: 1

[свернуть]

14. Высота звука определяется

1) частотой звуковых колебаний
2) амплитудой звуковых колебаний
3) частотой и скоростью звуковой волны
4) амплитудой и скоростью звуковой волны

Нажмите, чтобы увидеть решение

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний.

Ответ: 1

[свернуть]

15. Громкость звука связана с

1) частотой звуковых колебаний
2) амплитудой звуковых колебаний
3) длиной звуковой волны
4) периодом звуковых колебаний

Нажмите, чтобы увидеть решение

Громкость звука связана с амплитудой звуковых колебаний.

Ответ: 

[свернуть]

16. Длина звуковой волны зависит

1) от амплитуды и частоты колебаний
2) только от скорости распространения звука в данной среде
3) только от частоты колебательного движения
4) от скорости распространения звука в данной среде и частоты колебаний

Нажмите, чтобы увидеть решение

Длина звуковой волны зависит от скорости распространения звука в данной среде и частоты колебаний и определяется соотношением $\lambda =vT=\frac{v}{\nu}$.

Ответ: 

[свернуть]

17. Стекло поглощает звук меньше, чем воздух. Однако уличный шум слышен лучше при открытых окнах. Какое явление объясняет этот факт?

1) поглощение звука в стекле
2) поглощение звука в воздухе
3) отражение звука на границе сред
4) преломление звука на границе сред

Нажмите, чтобы увидеть решение

Звуковая волна на улице распространяется в воздухе и когда доходит до стекла окна, то заметная ее часть отражается и возвращается обратно на улицу и только некоторые волны проходят через этот барьер.

Ответ: 3

[свернуть]

18. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой физической величине из левого столбца подберите формулу из правого столбца.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ ФОРМУЛЫ
А) длина звуковой волны

Б) период колебаний частиц среды в волне

В) частота колебаний частиц среды в волне

1) υλ
2) λ/υ
3) υ/ν
4) υ/λ
5) ν⋅υ

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) длина звуковой волны — υ/ν;

Б) период колебаний частиц среды в волне — λ/υ;

В) частота колебаний частиц среды в волне — υ/λ.

Ответ: 324

[свернуть]

19. На рисунке представлен график зависимости давления воздуха от координаты в некоторый момент времени при распространении звуковой волны. Длина звуковой волны равна

1) 0,4 м
2) 0,8 м
3) 1,2 м
4) 1,6 м

Нажмите, чтобы увидеть решение

Длина волны — расстояние между двумя ближайшими точками колеблющимися в одинаковой фазе. Такими точками являются, например, точки с координатами 0,4 м и 1,2 м. Тогда длина волны равна: 1,2 м — 0,4 м = 0,8 м.

Ответ: 2

[свернуть]

20. На рисунке показан график волны, бегущей вдоль упругого шнура, в некоторый момент времени. Длина волны равна расстоянию

1) AB
2) AC
3) AD
4) AE

Нажмите, чтобы увидеть решение

Длина волны — расстояние между двумя ближайшими точками колеблющимися в одинаковой фазе. Такими точками являются точки А и Е.

Ответ: 4

[свернуть]

21. Звуковая волна переходит из воды в воздух. Как меняются при этом частота и скорость звука?

1) Частота не изменяется, скорость увеличивается.
2) Частота не изменяется, скорость уменьшается.
3) Частота увеличивается, скорость не изменяется.
4) Частота уменьшается, скорость не изменяется.

Нажмите, чтобы увидеть решение

При переходе звуковой волны из одной среды в другую ее частота не меняется. Скорость звука в воздухе меньше, чем в воде.

Ответ: 2

[свернуть]

22. Верхняя граница частоты колебаний звуковых волн, воспринимаемая ухом человека, с возрастом уменьшается. Для детей она составляет 22 кГц, а для пожилых людей – 10 кГц. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Звук с длиной волны 17 мм

1) услышит только ребенок
2) услышит только пожилой человек
3) услышит и ребенок, и пожилой человек
4) не услышит ни ребенок, ни пожилой человек

Нажмите, чтобы увидеть решение

Найдем частоту звука: $\nu =\frac{v}{\lambda}$, $\nu =\frac{340}{0,017} = 20000$ Гц $= 20$ кГц. Этот звук услышит только ребенок.

Ответ: 1

[свернуть]

23. На рисунке показан профиль волны. Амплитуда и длина волны равны соответственно

undefined

1) 9 см и 12 см
2) 18 см и 24 см
3) 12 см и 18 см
4) 24 см и 18 см

Нажмите, чтобы увидеть решение

Амплитуда волны равна 12 см, а длина — 18 см.

Ответ: 3

[свернуть]

24. Примером поперечной волны являет(-ют)ся   

А. Волна, возникающая в колеблющейся гитарной струне
Б. Звуковая волна в воде

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Механические волны могут быть поперечными только в среде, в которой возможны деформации сдвига (среда обладает упругостью формы). Следовательно, в жидкостях и газах механических поперечных волн не наблюдают. Поперечные механические волны возникают в твердых телах.

Ответ: 1

[свернуть]

25. На рисунке показан профиль волны.

Какова амплитуда волны?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Амплитуда волны равна 6 см.

Ответ: 6 см.

[свернуть]

26. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Укрепим в тисках упругую металлическую линейку (см. рисунок). Если ударить по линейке, то линейка издаст звук. Источником звука является (А)__________ движение тел. Звуковая волна представляет собой распространяющиеся в пространстве разрежения и уплотнения воздуха и является (Б)__________.  Если используемую линейку укоротить, то при ударе увеличится (В)__________ колебаний линейки, и соответственно увеличится (Г)__________ издаваемого звука.

Список слов и словосочетаний:

1) частота
2) амплитуда
3) высота тона
4) громкость
5) колебательное
6) равноускоренное
7) продольной
8) поперечной

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Нажмите, чтобы увидеть ответ

Комментарий. Данный опыт демонстрирует, что источниками звука являются колеблющиеся тела. Звуковая волна относится к продольным волнам. Громкость звука зависит от амплитуды, чем больше амплитуда, тем больше громкость. Высота тона определяется частотой, чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Решение. Укрепим в тисках упругую металлическую линейку (см. рисунок). Если ударить по линейке, то линейка издаст звук. Источником звука является (А-5) колебательное движение тел. Звуковая волна представляет собой распространяющиеся в пространстве разрежения и уплотнения воздуха и является (Б-7) продольной.  Если используемую линейку укоротить, то при ударе увеличится (В-1) частота колебаний линейки, и соответственно увеличится (Г-3) высота тона издаваемого звука.

Ответ: 5713

[свернуть]

27. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Туго натянем нитку, закрепив один её конец (см. рисунок). Если дёрнуть за нитку, то можно услышать звук, как от натянутой струны. Источником этого звука являются колебания нити.

Если при неизменной длине оттянуть нить на большее расстояние, т. е. увеличить (А)__________ колебаний нити, то увеличивается (Б)__________ звука.  Если нить укоротить, то при возбуждении колебаний увеличивается (В)__________ колебаний нити, и соответственно увеличивается (Г)__________ издаваемого звука.

Список слов и словосочетаний:

1) частота
2) амплитуда
3) длина волны
4) период
5) громкость
6) высота тона
7) сила тона

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Нажмите, чтобы увидеть ответ

Комментарий. Данный опыт демонстрирует, что источниками звука являются колеблющиеся тела. Звуковая волна относится к продольным волнам. Громкость звука зависит от амплитуды, чем больше амплитуда, тем больше громкость. Высота тона определяется частотой, чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Решение. Туго натянем нитку, закрепив один её конец (см. рисунок). Если дёрнуть за нитку, то можно услышать звук, как от натянутой струны. Источником этого звука являются колебания нити. Если при неизменной длине оттянуть нить на большее расстояние, т. е. увеличить (А) амплитуду колебаний нити, то увеличивается (Б) громкость звука.  Если нить укоротить, то при возбуждении колебаний увеличивается (В) частота колебаний нити, и соответственно увеличивается (Г) высота тона издаваемого звука.

Ответ: 2516

[свернуть]

28. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Источником звука является (А)__________ движение тел. Если ударить по камертону мягким молоточком, то будет слышен звук. Если поднести к звучащему камертону лёгкий шарик, подвешенный на нити, то шарик будет отскакивать от камертона (см. рисунок). Это свидетельствует о колебаниях ветвей камертона.

Если ударить по камертону с большей силой, то шарик отскакивает от него на (Б)__________ расстояние. Это означает, что при увеличении силы удара  (В)__________ колебаний ножек камертона увеличивается. При этом увеличивается (Г)__________ издаваемого звука.

Список слов и словосочетаний:

1) частота
2) амплитуда
3) громкость
4) высота тона
5) колебательное
6) равномерное
7) меньшее
8) большее

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Нажмите, чтобы увидеть ответ

Комментарий. Данный опыт демонстрирует, что источниками звука являются колеблющиеся тела. Громкость звука зависит от амплитуды, чем больше амплитуда, тем больше громкость. Высота тона определяется частотой, чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Решение. Источником звука является (А-5) колебательное движение тел. Если ударить по камертону мягким молоточком, то будет слышен звук. Если поднести к звучащему камертону лёгкий шарик, подвешенный на нити, то шарик будет отскакивать от камертона (см. рисунок). Это свидетельствует о колебаниях ветвей камертона. Если ударить по камертону с бОльшей силой, то шарик отскакивает от него на (Б-8) большее расстояние. Это означает, что при увеличении силы удара  (В-2) амплитуда колебаний ножек камертона увеличивается. При этом увеличивается (Г-3) громкость издаваемого звука.

Ответ: 5823

[свернуть]

29. Определите глубину, на которой находится косяк рыбы, обнаруженный эхолокатором, если промежуток времени между принятыми звуковыми сигналами, отражёнными от косяка и от дна моря равен 2,5 с, а глубина моря 2000 м. Скорость распространения звука в воде принять равной 1500 м/с.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Дано: промежуток времени между отраженными сигналами — $\Delta t=2,5$ с; глубина моря — $h_0=2000$ м; скорость звука в воде — $v=1500$ м/с.

Найти: глубину, на которой находится косяк рыбы — $h$.

Решение. Расстояние, которое проходит звук от момента возникновения и до момента, когда он будет принят после отражения, равен удвоенной глубине, поэтому время прохождения звуком расстояния до дна и обратно равно

$t_0=\frac{2h_0}{v}$.

Значит время, за которое звук достигнет косяка и вернется обратно равно

$t=t_0-\Delta t=\frac{2h_0}{v}-\Delta t=\frac{2h_0-v\Delta t}{v}$.

Искомое расстояние — расстояние, которое пройдет звуком за время $\frac{t}{2}$

$h=v \cdot \frac{t}{2}$

$h=v \cdot \frac{t}{2}=v\cdot \frac{2h_0-v\Delta t}{2v}=\frac{2h_0-v\Delta t}{2}$,

$h=\frac{2 \cdot 2000 — 1500 \cdot 2,5}{2}  =125$ м.

Ответ: косяк рыбы находится на глубине 125 м.

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Механические волны. Звук (2590 Загрузок )