Механические волны. Звук

Определение. Механическая волна

Механическая волна — процесс распространения колебаний в упругой среде. Волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Виды волн

Поперечные волны — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (волны на поверхности воды, волны в шнуре). Возможны только в твёрдых телах и на поверхности жидкостей.

Продольные волны — частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны (звук в воздухе). Возможны в твёрдых, жидких и газообразных средах.

Формулы. Характеристики волны

Длина волны $\lambda$ — расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе (м).

Скорость волны $v$ — скорость распространения колебаний в среде (м/с).

$v = \lambda \nu = \frac{\lambda}{T}$

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

Звук

Звук — механические волны, воспринимаемые человеческим ухом (16–20 000 Гц).

• Инфразвук — частота ниже 16 Гц (землетрясения).
• Ультразвук — частота выше 20 000 Гц (эхолокация, медицина).
• Слышимый звук — 16–20 000 Гц.

Скорость звука

Скорость звука зависит от среды:

• В воздухе: $v \approx 340$ м/с (при 20°C).
• В воде: $v \approx 1500$ м/с.
• В стали: $v \approx 5000$ м/с.

Громкость и высота тона

Громкость определяется амплитудой колебаний (интенсивностью). Измеряется в децибелах (дБ).

Высота тона определяется частотой: чем выше частота, тем выше звук.

Эффект Доплера

Изменение частоты волны при движении источника или приёмника. Когда источник приближается — частота увеличивается (звук выше), удаляется — частота уменьшается (звук ниже). Пример: сирена скорой помощи, проезжающей мимо.

Обозначения

Символ	Название	Единица СИ
$\lambda$	Длина волны	м
$v$	Скорость волны	м/с
$\nu$	Частота	Гц
$T$	Период	с
$L$	Уровень громкости	дБ
$I$	Интенсивность	Вт/м²

Пример 1. Длина звуковой волны

Человек слышит звук частотой 440 Гц (нота «ля»). Найти длину волны в воздухе. Скорость звука $v = 340$ м/с.

Дано: $\nu = 440$ Гц, $v = 340$ м/с.

Формула: $\lambda = \dfrac{v}{\nu}$

Подстановка: $\lambda = \dfrac{340}{440} \approx 0{,}773$ м

Ответ: $\lambda \approx 0{,}77$ м.

Пример 2. Расстояние до грозы

Наблюдатель увидел молнию и через 6 с услышал гром. На каком расстоянии ударила молния? Скорость звука $v = 340$ м/с.

Дано: $t = 6$ с, $v = 340$ м/с.

Формула: $s = v \cdot t$

Подстановка: $s = 340 \cdot 6 = 2040$ м

Ответ: $s \approx 2$ км.

Пример 3. Частота звука

Длина звуковой волны в воздухе 0,5 м. Найти частоту. $v = 340$ м/с.

Дано: $\lambda = 0{,}5$ м, $v = 340$ м/с.

Формула: $\nu = \dfrac{v}{\lambda}$

Подстановка: $\nu = \dfrac{340}{0{,}5} = 680$ Гц

Ответ: $\nu = 680$ Гц.

Важно!

⚠️ Типичная ошибка: думать, что звук распространяется в вакууме. Звук — механическая волна, ему нужна упругая среда. В космосе звук не распространяется.

⚠️ Путают длину волны и амплитуду. Длина волны $\lambda$ — расстояние между гребнями, амплитуда — высота гребня.

⚠️ Скорость звука в воздухе — не константа, зависит от температуры. При 0°C $v \approx 330$ м/с, при 20°C $v \approx 340$ м/с.