Учителю физики и ученикам|
Учителю физики и ученикам |
|
|||||||
|
Ответы. Колебания и волны. Акустика1)Скрип и визг в рассмотренных случаях обусловлены «зацеплением и соскальзыванием». Так, мел, когда его неправильно держат, вначале зацепляется за доску, но когда пишущий достаточно сильно нажимает на мел, он внезапно соскакивает и начинает вибрировать, периодически «зацепляясь» за доску и вновь соскальзывая. Вследствие этого и возникает скрип. 2)Звук, по-видимому, обусловлен колебаниями песка, которые возникают, когда отдельные его слои сдвигаются относительно друг друга. Песок под ногой вдавливается в глубь, а при осыпи один слой песка скользит по другому. Хотя механизм возникновения звука пока остается неясным, по-видимому, «поет» песок, состоящий преимущественно из круглых песчинок одинакового размера. 3)Смычок то сцепляется со струной, то отрывается от нее: струна колеблется в те моменты, когда смычок свободно скользит. 4) Первый звук появляется, когда донышко кастрюли нагрелось достаточно для того, чтобы образовывались пузырьки: образование каждого пузырька сопровождается щелчком, а все вместе они создают шипение. При дальнейшем нагревании пузырьки отделяются от дна, поднимаются в более холодный слой воды и там лопаются; при этом возникает еще более громкий звук. Его мы слышим до тех пор, пока вода не согревается настолько, что пузырьки начинают достигать поверхности и разрываться там. Тогда вода кипит «белым ключом», а пузырьки, лопающиеся на поверхности, создают более мягкий, «плещущий» звук. 5) Если земля очень холодная (ее температура ниже—23° С), то лед уже не тает под ногами, а трескается. 6) Между пушинками свежевыпавшего снега существуют маленькие полости, благодаря которым такой снег поглощает звук так же, звукопоглощающие покрытия современных служебных помещениях. По мере уплотнения снега поглощение звука в нем ослабевает. 7) Отчасти журчание ручейка обусловлено пузырьками, образующимися в быстро текущей воде. Возникновение пузырьков сопровождается слабыми звуками, тогда как колебания объема пузырьков и их «схлопывание» производят более громкие звуки. 8) Любое периодическое движение может вызывать звуковые волны. Периодический обрыв отдельных волокон при разрывании ткани порождает звуковые волны, и мы слышим, как рвется ткань. 9) Треск суставов обусловлен разрывом крохотных газовых пузырьков в жидкости, смазывающей суставы пальцев, который происходит, когда палец растягивается и давление в жидкости уменьшается. Требуется несколько минут, прежде чем жидкость снова поглотит газ и сустав опять щелкнет. 10) Потрескивание обусловлено раскалыванием льда под влиянием температурных напряжений, которые возникают в толще льда при нагревании. Шипение же связано с воздушными пузырьками, заключенными внутри льда, которые лопаются, когда в результате таяния льда «выбираются» на поверхность. Если таких пузырьков нет, то лед при таянии будет только потрескивать. 11) То обстоятельство, что звук в земле распространяется быстрее, чем в воздухе, в данном случае не имеет значения, поскольку скорость лошади много меньше скорости звука. Звук лучше проходит в земле потому, что там он меньше рассеивается и меньше поглощается, чем в атмосфере. 12) Резонансные частоты полости рта (как и всякой другой полости, заполненной газом) пропорциональны скорости звука в заполняющем ее газе. Скорость звука в гелии выше, чем в воздухе, поэтому голос становится более высоким. 13)Скорость звука в теплом воздухе больше, чем в холодном. Если с увеличением высоты над землей температура воздуха уменьшается, то верхняя часть звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, будет двигаться медленнее, чем нижняя. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В холодный же температура воздуха может увеличиваться с высо- той (особенно над большими водоемами). Тогда звук отклоняется не вверх, а вниз, распространяясь таким образом на большее расстояние вдоль земной поверхности. 14) Рассеяние звука на предметах, размер которых мал по сравнению с длиной волны, обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому звуки более короткой длины волны (высокой частоты) рассеиваются сильнее, чем звуки большой длины волны (низкой частоты). Эхо от крика будет иметь более высокий тон, поскольку высокочастотные звуки лучше отражаются от препятствий и при возвращении имеют большую интенсивность. 15) Звук распространяется по ветру дальше не потому, что в этом направлении он меньше ослабляется, а потому, что, двигаясь по ветру, звуковые волны отклоняются вниз, тогда как при движении против ветра они отклоняются вверх. Скорость ветра обычно возрастает с увеличением высоты, так , как у поверхности Земли на его пути встречаются различные препятствия. Когда волна распространяется по направлению ветра, она движется вверху с большей скоростью, чем внизу, поэтому в целом отклоняется книзу. Аналогичное рассуждение позволяет понять, почему волна, движущаяся против ветра, отклоняется кверху. 16) Здесь действуют те же причины, которые мы уже рассматривали в задачах. Звуковые волны, возникающие при разряде молнии, отклоняются вверх в теплых слоях воздуха у поверхности земли. За пределами области радиусом примерно 25 км звук отклоняется настолько, что уже не слышен на земле. 17) Звуковая волна дифрагирует на щели Хотя дверь лишь слегка приоткрыта, звук, проникая через щель, распространяется по всей комнате. 18) Инфразвук может, например, привести в состояние колебаний грудную клетку; вызываемые им изменения давления происходят достаточно медленно, так что грудная клетка успевает колебаться в такт с ними. При таких колебаниях возникает трение между внутренними органами, что может привести к внутреннему кровоизлиянию. При меньших интенсивностях инфразвук нередко вызывает головокружение и тошноту. «Укачивание» в автомобиле отчасти также обусловлено возбуждаемым при его движении инфразвуком. 19) Окружающие звуки, в том числе и легкое дуновение ветра вблизи устья раковины, возбуждают в заключенном в ней объеме воздуха резонансные колебания. Возбуждение и затухание этих колебаний создает у слушающего иллюзию звуков океанского прибоя. 20) Тембр голоса определяется длиной и натяжением голосовых связок. При увеличении давления в трахее наступает момент, когда связки резко расходятся, а затем возвращаются в прежнее положение. Продолжительные колебания связок вызывают изменения давления воздуха, которые в свою очередь возбуждают резонансные гармоники полости носоглотки. Мужской голос обычно ниже женского, так как у мужчины голосовые связки толще, длиннее и вибрируют с более низкой частотой. Голос мальчиков «ломается» в период быстрого роста: гортань увеличивается, и голосовые связки из детских — тонких и коротких — превращаются в мужские. При шепоте голосовые связки расслабляются и бездействуют в гортани. Частота произносимых звуков в этом случае определяется колебаниями воздушнго потока, возникающими из-за наличия других препятствий, а также резонансными частотами носоглотки. 21) Завывания ветра могут возникать на висящих проводах и голых ветвях деревьев или (как краевой тон) на углах крыш и других заостренных предметах. При обтекании ветром провода или ветки дерева воздушный поток становится неустойчивым, и тогда с препятствия могут срываться вихри. С телеграфного провода, например, вихри срываются попеременно то с верхней, то с нижней его части. Эти вихри и создают колебания давления воздуха, которые мы воспринимаем как звуки. Если ветер достаточно силен, то колебания давления с двух сторон провода могут заставить его вибрировать целиком; впрочем, колебания провода не обязательны для возникновения звука. Так как локальные изменения давления обусловлены вихрями на верхней и нижней частях провода, то сам он вынужден совершать колебания перпендикулярно воздушному потоку. 22)    При возникновении краевого тона вихри срываются с края препятствия, когда его обтекает воздушный поток. Возникающие при этом колебания края препятствия и создают слышимый нами звук. Частично звук возвращается к источнику воздушного потока. Вследствие этого возникает дополнительная неустойчивость потока, способствующая образованию вихрей. Когда эти вихри достигают края препятствия, они вновь возбуждают звук и т. д. Когда свист создается с помощью отверстия, звук, возвращаясь к источнику воздушного потока, изменяет скорость последнего; в результате образуются вихревые кольца. Когда эти кольца доходят до отверстия, снова возбуждается звук и т. д. Чаще всего свист чайника создается двумя отверстиями, которые расположены в крышке и разделены небольшим углублением. Когда воздух изнутри чайника проходит через первое отверстие, оно становится источником воздушной струи, которая создает неустойчивость воздушного потока у второго отверстия и тем самым порождает звук. Поначалу скорость такого потока недостаточна для возникновения неустойчивости, когда же вода близка к кипению, воздух движется быстрее, завихрения у второго отверстия становятся больше, возникает звук. 23) Бутылка из-под лимонада, свирель, флейта отличаются от свистков, тем; что в них вблизи отверстия или края, на которых образуются неустойчивости, находится резонирующая полость. Из набора частот, присутствующих в звуке, возникающем на краю препятствия или в отверстии, полость выделяет и усиливает резонансную частоту, которую мы и слышим. 24) Наше ухо воспринимает низкие тона даже в том случае, если они не излучаются динамиком. Дело в том, что, когда ухо улавливает колебания двух различных частот, мы слышим также частоты, равные их сумме и разности, а кроме того,— равные суммам и разностям некоторых частот, кратных основным. Наиболее отчетливо слышна разностная частота (разностный тон), которая воспринимается как басовый звук. 25) Если самолет летит со скоростью, большей скорости звука, то впереди него образуется ударная волна (скачок уплотнения воздуха) конической формы. Этот конус, расширяясь, достигает поверхности земли, где возникает скачок давления, воспринимаемый как звук хлопка или выстрела. Вторую ударную волну создает хвост самолета. Иногда эти два скачка давления неразличимы, иногда же они воспринимаются как два раздельных удара. Ударная волна может и не достигнуть поверхности земли, если она достаточно искривляется в теплом нижнем слое воздуха. 26) В настоящее время явление грома стало предметом внимательного изучения. Предполагается, что электрический разряд молнии вызывает сильное нагревание и резкое расширение воздуха; в результате создается цилиндрическая ударная волна, которая и служит основным источником грома. Недалеко от места удара молнии можно также расслышать шипение [скорее всего, его производит коронный разряд и щелчок — видимо, это звук движущегося вверх «лидера». Длительное звучание грома (рокот и раскаты), вероятно, обусловлено отражением звука от окружающих объектов. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Главная Новости К уроку К экзамену Великие физики Справочник Занимательная физика Проверь себя Шаровая молния В начало страницы |
| Учителю физики и его ученикам © 2024 |
