Скорость звука в воздухе реферат

Обновлено: 04.07.2024

Звуковые волны или звук – это колебания частиц, распространяемые волнообразно в какой-либо среде – газообразной, жидкой или твёрдой, – которые воспринимаются органами слуха животных.

Когда мы изучаем свет, то убеждаемся не только в том, что он существует вне нас, но сверх того еще и в том, что нам необходимо иметь глаза для восприятия света, иначе мы и не подозревали бы о нем. Всё вокруг нас погружается в темноту, когда мы закрываем глаза. Точно так же для нас не существовало бы мира звуков, если бы у нас не было органа слуха, который воспринимает их.

Итак, мы называем звуком то, что мы чувствуем нашим слуховым аппаратом. Но явления внешнего мира для нас имеют характер звуковых только с того момента, когда они дошли до наших ушей. Закрыв уши пальцами, мы не услышим разговора, хотя он и продолжается около нас.

Звуковые волны, как и свет, представляет собою действие на нас специальных волнообразных движений. Явления, общие для всех родов волнообразного движения, будут иметь место и в свете, и в звуке, хотя существуют огромные различия между тем и другим родом волнообразных движений.
Звуковые волны отличаются от света тем, что волнообразные движения происходят не в межзвездном пространстве, а в материальной среде. Такою средою, большею частью, служит воздух. Но ею может быть также всякий газ или смесь газов, ею могут быть и жидкости, как вода, и твердые тела. Там же, где нет обычной материи, не может быть и звука.

Из этого следует, что как бы ни были грандиозны звуковые явления, происходящие на Солнце и Луне, они не могут произвести такого шума, который мог бы быть услышан у нас на Земле, потому что за пределами нашей атмосферы, между Землей и небесными телами, нет обычной материи.

Источники звуковых волн

Мы говорим, что звук есть волнообразные движения или колебания. Каждый, кто видел или чувствовал то, что происходит, когда рождается звук, тотчас согласится с этим. Так, например, если крепко натянуть нить и потом быстро ударить по ней, то можно видеть, как она заколеблется. И услышать при этом небольшой музыкальный звук. То же самое будет наблюдаться в звучащей фортепианной струне или в колоколе. И мы можем ощущать эти колебания, если дотронемся до них.

Мы также знаем, что при ударе по стеклу оно издает звук, который прекращается, если прикосновением пальца прекратить его колебания. Все эти явления служат доказательством того, что известные колебания производят звук. Каждый раз, когда колеблется колокольчик, стакан или струна, воздух получает от них легкие удары. В нем образуется ряд волн, доходящих до нашего уха, вот почему мы и слышим звук.

Нетрудно доказать, что воздух проводит звуковые волны. Для этой цели производят следующий опыт: под стеклянный колпак воздушного насоса помещают электрический звонок, заставляют его непрерывно звенеть. Затем начинают насосом выкачивать воздух.

Когда уменьшается количество воздуха под колпаком, мы видим звонок так же хорошо, как и раньше, потому что свет распространяется, когда воздуха нет. Но звук делается все тише и наконец совершению прекращается. Колебания звонка продолжают совершаться, но так как вокруг него больше нет воздуха, то он не может производить те волны. которые мы называем звуковыми. Если же воздух начинает снова входить под колпак, то звук восстанавливается. Этот простой опыт показывает нам не только то, что воздух служит проводником звука, но и то, что сила звука в значительной степени зависит от состояния воздуха.

Когда у нас появляется возможность сравнить скорость света со скоростью звука, то мы находим между ними огромное различие. Но видим огонь и дым при стрельбе из отдаленной пушки на несколько секунд раньше звука от ее выстрела. Свет распространяется так быстро, что даже значительное расстояние, на котором находится от нас действующее орудие, он проходит в какую-нибудь тысячную долю секунды; тогда как звук распространяется гораздо медленнее, и скорость его распространения при таком опыте очень легко вычислить.

Распространение звуковых волн

Возьмем несколько бильярдных шаров и положим их прямой линией на бильярдном столе так, чтобы они касались друг друга. Затем возьмем еще шар и покатим его так, чтобы он ударил в шар, лежащий на конце ряда. Тогда каждый из шаров в ряду будет попеременно сжиматься и производить давление на следующий за ним, в результате чего шар, находящийся на другом конце ряда, отскочит от него.

Каждый шар ряда здесь попеременно сжимается и расширяется. То же самое случается и в воздухе, когда звук проходит через него. Мы можем представить себе, что волну принуждают двигаться частицы воздуха, ударяющие одна о другую при своих движениях взад и вперед, точно так, как эти бильярдные шары.

Скорость звука

Скорость света одинакова при всех условиях, насколько это можно было изучить. А скорость звука изменяется в значительной степени с изменением условий, при которых он распространяется в воздухе. Большое счастье для музыкального искусства заключается в том, что скорость звука изменяется только в незначительной степени с изменением высоты его или силы.

Было бы очень затруднительно слушать издали музыку, если бы звуки различных инструментов оркестра доходили до нашего слуха в разное время, в то время как композитор имел в виду, что они будут слышаться одновременно. Или, если бы мотив, разыгрываемый одной частью оркестра, доходил до нашего слуха раньше того, что играет другая часть оркестра, или позже.

1. Скорость звука в воздухе

Обычная скорость звука в воздухе считается около 331 метра (То есть около трети километра) в секунду. Когда температура воздуха поднимается, он становится более упругим и тогда прохождение звука через него совершается быстрее.

Скорость звука увеличивается с повышением температуры воздуха, если плотность его остается той же самой.

Если мы примем во внимание зависимость скорости звука от упругости проводящей его среды, то нам будет понятно, почему звук проходит значительно быстрее в жидкостях, чем в газах, и еще быстрее в твердых телах.

2. Скорость звуковых волн в твёрдых телах

Звуковые волны распространяются в твёрдых телах быстрее, чем в воздухе. Железо, когда оно в твердом состоянии, обладает большею упругостью, чем воздух, и звук проходит в нем почти в семнадцать раз быстрее, чем в воздухе

Нельзя смешивать скорость распространения звука в воздухе или в какой-либо другой среде с высотой тона. Она у музыкального звука зависит от числа колебаний в секунду, и чем их больше, тем выше тон.

Звук, как мы сказали, проходя через железо, достигает нашего уха в семнадцать раз быстрее, чем когда он проходит через воздух; высота же его тона остается той же самой в обоих случаях, потому что число колебаний в секунду остается одно и то же, хотя звук через железо проходит значительно быстрее.

3. Скорость звука в разных средах

Хлор – 206 м/сек
Углекислый газ – 259м/сек
Кислород – 316 м/сек
Водород – 1 284м/сек
Неон – 435 м/сек
Метан – 430 м/сек
Воздух – 331 м/сек

Вода – 1 483 м/сек
Ртуть – 1 383 м/сек

Твёрдые тела:

Стекло – 4 800 м/сек
Литий – 6 000 м/сек
Алмаз – 12 000 м/сек
Железо – 5 950 м/сек
Золото – 3 240 м/сек

Сила звука

Когда мы начнем исследовать силу звука на разных расстояниях, то найдем, что первый закон, относительно его, тот же, что и для света. И насколько нам известно, этот закон верен не только относительно волнообразных движений, но и такого явления, как тяготение.

На точном научном языке закон о силе звука излагается так:

Сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от его источника

Таким образом можно коротко и ясно выразить, например, ту мысль, что если мы удаляемся от источника звука на расстояние, которое в три раза больше прежнего, то сила звука уменьшится при этом не в три, а в девять раз: девять есть квадрат трех. Квадратом числа называется число, полученное от перемножения его на самого себя.

Когда этот закон применяется к силе света или тяготения, то нам не приходится считаться с какими-либо условиями, которые могут повлиять на них. Но если речь идёт о звуке, то дело обстоит несколько иначе. На звук влияет плотность той среды, в которой он проходит; в морозную ночь воздух очень плотен, почему нам и дышится тогда легче, звук же будет в это время слышен сильнее. С другой стороны, звук ружейного выстрела высоко в горах ослабляется, потому что воздух там редок. Это явление напоминает нам опыт со звонком под колпаком воздушного насоса.

Отражение звука

Когда мы наблюдаем, как волны моря или озера ударяют в крутой берег, мы видим, что они отражаются от него и отскакивают назад. Если поверхность берега ровная и вертикальная, то мы видим, что волны отражаются от нее точно так же, как мяч от стены. Если звук есть действительно волнообразное движение, то мы всегда можем ожидать, что и он будет так же отражаться, как водяные волны, и нам часто приходится убеждаться в этом.

Всякие движущиеся волны могут отражаться от преград на их пути; это совершается как при свете, так и при морских волнах. Есть законы отражения, которые одинаково приложимы к этим различным явлениям.

Первый из них говорит, что угол падения волны равен углу ее отражения: это значит, что угол, под которым волна достигает поверхности, точно такой, под которым волна удаляется от нее в другую сторону. Точно такое же явление происходит при бросании мяча в стену. Если мы бросим мяч в стену в перпендикулярном направлении, то в таком же направлении он отскочит от нее; если мы бросим мяч вкось, он так же вкось отскочит. А в том случае, когда стена плоская и на мяче нет никаких неровностей и если при этом мы можем измерить угол, под которым мяч падает на стену, и тот, под которым он отскакивает от нее, то всегда найдем, что оба эти угла равны.

Второй: плоскость, в которой волна приближается, всегда та же самая, по которой она удаляется от отражаемой ее поверхности. Предположим, например, что звук движется по поверхности листа бумаги и на краю листа ударяется в перпендикулярную к нему стену. Он отразится не только под тем же углом, под которым приближался, а пойдет назад опять в плоскости листа бумаги, не уклоняясь ни вверх, ни вниз.

Падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения

Природа грома

Мы все хорошо знаем, что на открытом воздухе звук кажется нам не таким, как в закрытом помещении. И наш голос в разных местах звучит различно. Все эти явления зависят от особенностей отражения звука в разных местах.

Самым лучшим способом для доказательства отражения звука может служить эхо. Мы можем довольно простым способом определить скорость звука, стоит только нам произвести звук на некотором расстоянии от отражающей его поверхности и заметить, как быстро мы услышим эхо.

Лучшим примером отражения звука, производящего эхо, являются раскаты грома, случающиеся во время грозы:

Гром — это сотрясение воздуха, образующее звук
Он происходят благодаря тому, что молния проходит от облака к облаку или от облака к земле.
Если нет эха, то мы слышим просто единичный удар грома, соответствующий одной мгновенной причине, производящей его
Когда же мы слышим раскаты грома, мы просто слышим эхо одного и того же удара, отражающегося много раз от облаков к земле

Волны Рэлея

Если мы наполним резиновый шар или выпуклый диск углекислым газом, то заметим, что он действует на звук точно так, как зажигательное стекло на световые лучи. Звуковые волны отклоняются газом, находящимся в шаре, так что они все собираются в одном пункте, находящемся по другую сторону шара точно так, как лучи солнца могут быть собраны на кусок бумаги в одну точку зажигательным стеклом.

Это видно из хорошо известного опыта, произведенного замечательным английским ученым, лордом Рэлеем. Опыт этот заключается в том, что нас ставят против часов на таком расстоянии, чтобы не слышать их тиканья. Если после этого гуттаперчевый шар, наполненный углекислым газом, будет помещен между нами и часами, то, находясь на том же самом расстоянии, мы услышим часы. Это происходит вследствие того, что углекислый газ преломляет звуковые волны и фокусирует их в одной точке.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Введение. 1. Скорость звуковых волн в различных средах. 2. Эффект Доплера в акустике. Заключение. Список литературы. Приложение A – таблицы. Приложение B – таблицы.

2 3 4 8 9 10 11

Введение. Понятие звука обычно ассоциируется у нас со слухом и, следовательно, с физиологическими процессами в ушах, а также с психологическими процессами в нашем мозгу (там происходит переработка ощущений, поступающих в органы слуха). Кроме того, под звуком мы понимаем физическое явление, вызывающее действие на наши уши, а именно продольные волны. Если такие упругие волны, распространяющиеся в воздухе, имеют частоту в пределах от 16 до 20000 Гц, то, достигнув человеческого уха, они вызывают ощущение звука. В соответствии с этим упругие волны в любой среде, имеющие частоту, заключённую в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуком; волны с частотами, превышающими 20000 Гц, называют ультразвуком. Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Для слушающего человека сразу становятся очевидными две характеристики звука, а именно его громкость и высота. Громкость связана с интенсивностью звуковой волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны. Высота звука показывает, является ли он высоким, как у скрипки или у виолончели, или низким, как звук большого барабана или басовой струны. Физической величиной, характеризующей высоту звука, является частота колебаний звуковой волны, что впервые заметил Галилей. Чем меньше частота, тем ниже высота звука, а чем больше частота, тем звук выше.

Одной из важных характеристик звука является его скорость. Скорость звука - это скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем для поперечных волн скорость всегда меньше, чем для продольных). Скорость звука в газах и парах от 150 до 1000 м/с, в жидкостях от 750 до 2000 м/с, в твердых телах от 2000 до 6500 м/с. В воздухе при нормальных условиях скорость звука 330 м/с, в воде — 1500 м/с.

Также в реферате рассматривается эффект, на существование которого в 1842 году указал КРИСТИАН ДОПЛЕР (Допплер) (Doppler) (1803-53), австрийский физик и астроном. Позже этот эффект был назван его именем. 1. Скорость звуковых волн в различных средах. Мы обычно считаем, что звук распространяется в воздухе, потому что, как правило, именно воздух контактирует с нашими барабанными перепонками, и его колебания заставляют колебаться эти перепонки. Однако звуковые волны могут распространяться и в других веществах. Удары двух камней друг о друга пловец может слышать, находясь под водой, поскольку колебания передаются уху водой. Если приложить ухо к земле, то можно услышать приближение поезда или трактора. В этом случае земля не воздействует непосредственно на ваши барабанные перепонки. Однако продольную волну, распространяющуюся в земле, называют звуковой волной, поскольку её колебания приводят к колебаниям воздуха во внешнем ухе. Действительно, продольные волны, распространяющиеся в любой материальной среде, часто называют звуковыми. Очевидно, звук не может распространяться в отсутствие вещества. Например, нельзя услышать звон колокола,

Цель работы: определение скорости распространения звуковых колебаний в воздухе при данной температуре методом стоячих волн.

Приборы и принадлежности: установка акустического резонанса, электронный осциллограф, звуковой генератор.

Исследуемые закономерности

Звуковые колебания в газе представляют собой периодическое чередование сжатий и разрежений, распространяющихся со скоростью, зависящей от свойств воздуха. Газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают деформацией сдвига, поэтому в них возникают только продольные волны. Продольные волны обусловлены объёмной деформацией.

Если сжатие происходит быстро, то выделяющееся при этом тепло не успевает распространиться в соседние слои. Сжатие без отвода тепла называется адиабатическим; в этом случае скорость распространения звука рассчитывают по формуле:

где - отношение теплоёмкостей газа при изобарическом и изохорическом процессах (для воздуха ); p и - соответственно, средние значения давления и плотности во всем объёме.

Соотношение (5.1) может быть преобразовано с учетом уравнения состояния идеального газа ( ):

где R – газовая постоянная; Т – температура; - молярная масса газа (для воздуха ).

Удобным методом измерения скорости звуковых волн, является метод, основанный на измерении длинны волны стоячих звуковых волн. Если измерена и известна частота возбуждаемых звуковых волн, то

Стоячие звуковые волны возникают при интерференции падающей и отраженной волн. Точки, в которых амплитуда колебаний максимальна, называется пучностями стоячей волны. Точки, в которых амплитуда колебаний равна нулю, называются узлами стоячей волны.

Явление резонанса наблюдается в том случае, если длинна резонатора L n , в котором устанавливается стоячая волна, равна целому числу полуволн

Явление резонанса резко выражено в том случае, если затухание мало. В данном случае затухание обусловлено неполным отражением волн и потерями на излучение из резонатора в окружающую среду, потому оно невелико и можно считать, что период колебаний

Характеристикой убыли энергии при затухании служит добротность системы

Знаменатель представляет убыль энергии за период, отсчитываемый от момента времени t . Добротность может быть определена также формулой

где N e – число колебаний за время, в течении которого амплитуда колебаний уменьшается в е раз.

Небольшая расстройка частоты относительно резонансной позволяет наблюдать изменение амплитуды колебаний в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой резонатора:

где А 0 и 0 – амплитуда и частота при резонансе, - расстройка частоты от резонанса, при которой .

Физика дает звуку такое определение: появление и последующее распространение колебаний в веществе (воздушном пространстве, жидкости или твердом теле). Скорость звука показывает, какое расстояние звуковая волна преодолевает за единицу времени. Зная, какова скорость звука, можно понять, как далеко его будет слышно. В статье мы рассмотрим, как появляется звук, почему он расходится. Сравним звуковые волны в разных средах, узнаем скорость звука в воздухе и газах.

Почему мы слышим звуки

Звук возникает, когда что-то колеблется: голосовые связки, струна, воздух в прорези свистка и т.д. Раньше всего люди заметили распространение звука в воздухе. Аристотель был первым, кто объяснил его появление колебанием тел. Тогда было замечено, что именно воздушная оболочка Земли играет в этом процессе ключевую роль. Современная наука знает, что тело, которое издает звук на Земле, перестанет звучать без воздуха, например, на Луне. Прежде чем перейти к скорости звука в воздухе, рассмотрим одно из свойств этой среды — упругость.

Упругость — причина распространения звука в воздухе

Упругость — это способность сопротивляться давлению, деформации. Ученых долго удивляло, что воздух обладает упругостью. Они сравнивали его с водой. Эту жидкость почти невозможно сжать, и она передает давление во все стороны одинаково. Почему же воздух передает давление направленно, почему мы слышим звук с одной стороны? Ломоносов первым объяснил, что воздух упругий из-за постоянного движения атомов. Сила упругости зависит от плотности. Ломоносов рассуждал так: раз воздух можно сжимать, значит, во-первых, между частицами большие расстояния, во-вторых, атомы при столкновении воздействуют друг на друга. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Взаимодействие атомов воздуха

Частицы воздуха находятся в постоянном беспорядочном движении. Каждый атом, столкнувшись с другим, отскакивает от него и отталкивается уже от следующего. Газ расширяется, стремится занять весь объем благодаря толчкам частиц. Не будь на Земле притяжения, атмосфера бы уже давно рассеялась. Еще Галилей установил, что воздух имеет вес. Его частицы под действием силы тяжести упали бы на землю, если бы не сталкивались друг с другом и не меняли в результате свою скорость и направление движения. Вес воздуха создает атмосферное давление, оно распространяется благодаря упругости. Какие же изменения происходят в воздухе из-за колеблющегося тела?

Появление в воздухе звуковой волны

Как только тело выходит из равновесия и начинает колебаться, меняется упругость и давление воздуха. Изменения происходят в близлежащих слоях. С той стороны, куда направлено движение, воздух сжимается, на противоположной стороне — разреживается. Там, где воздух сжимается, давление становится больше атмосферного, а там, где разреживается, понижается на ту же величину. Отклонившись максимально, тело возвращается в начальную точку и движется уже в другую сторону, сжимая противоположный слой воздуха. Цикл повторяется через время, равное частоте колебаний.

Сжатия-разрежения расходятся от близлежащих слоев воздуха в более далекие. Это происходит благодаря упругости среды. Процесс продолжается, пока тело не прекратит двигаться. Распространение сжатий-разрежений называется упругой волной. Как бы далеко она не дошла, волна изменяет в этой точке давление. Давление, превышающее атмосферное, называют акустическим.

Характеристики звуковой волны

Не каждая упругая волна считается звуковой. Звуком мы называем только то, что вызывает изменения акустического давления, которые мы можем воспринять. Это частота от 16-20 Гц до 16-20 тыс. Гц. Один герц равен одному колебанию в секунду. Неслышимые звуки слишком низкой для восприятия частоты называются инфразвуком, а слишком высокой — ультразвуком. Надо заметить, что частота не влияет на скорость звука. Звуки разной частоты, например, инструменты в оркестре, мы слышим одновременно.

Длина звуковой волны — это расстояние между двумя ближайшими слоями сжатого или разреженного воздуха. Большая длина волны означает, что звук услышат на большом расстоянии.

То, как быстро звуковая волна распространится, зависит от среды. Скорость звука в воздухе в 5 раз ниже, чем в воде, и в 15 раз меньше, чем в металлах. Для вычисления скорости нужно знать частоту и длину звуковой волны.

Почему скорость звука в разных средах отличается

Газы, жидкости и твердые тела имеют разную упругость и плотность, а скорость распространения звуковой волны напрямую зависит от этих свойств. Упругость и плотность определяются строением вещества и реакцией частиц на давление, т.е. воздействием звуковой волны.

В твердом теле атомы связаны между собой электрическими силами и образуют кристаллическую решетку. Как только давление смещает одну частицу, вместе с ней сдвигаются и другие. В воздухе и газах все по-другому. Атомы не связаны между собой. Они пребывают в постоянном тепловом движении, а при воздействии звуковой волны к тепловому движению добавляется колебательное. Именно оно задает направление распространению волны.

Скорость звука в воздухе и газах

В разных газах звук распространяется с разной скоростью. При 0°С скорость звука в воздухе составляет около 331 м/с. Это намного меньше, чем в в море (1,5 тыс. м/с) и металлах (5 тыс. м/с).

Интересно, что на скорость звука влияет температура. Так, при 20°С волна проходит 344 метра за секунду.

Если говорить о газах, то неудивительно, что азот и кислород, входящие в состав воздуха, имеют почти такую же скорость звука, как и он. Азот — 334 м/с, кислород — 316 м/с. Скорость звука в водороде и гелие намного выше — 1284 и 965 м/с. Это объясняется закономерностью: чем меньше молекулярная масса, тем больше скорость звука в газе.

Читайте также: