Звук
В воздухе при 20 °C звук проходит около 343 метров в секунду. Если гром слышен через 3 секунды после вспышки, молния ударила примерно в 1 km от тебя.
Волны давления в воздухе
Когда мембрана барабана движется наружу, она сжимает соседний воздух, а при движении назад создаёт область чуть пониженного давления. Эти сжатия и разрежения передаются от молекулы к молекуле в виде продольной волны. Воздух возле твоего уха не прилетает от барабана: он лишь немного смещается вперёд и назад, пока картина давления движется дальше. OpenStax отмечает, что при самом тихом слышимом звуке размах движения молекул воздуха меньше диаметра одной молекулы.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Как быстро распространяется звук?
На фейерверке заметно, что звуку нужно время: сначала видна вспышка, а потом слышен хлопок. OpenStax приводит скорость звука в воздухе: 331 m/s при 0 °C и 343 m/s при 20 °C. Для воздуха на уровне моря дана формула v = 331 m/s × √(T / 273 K), где T выражена в кельвинах. В тёплом воздухе молекулы движутся быстрее и быстрее передают толчок, но изменение невелико. При нагревании от 0 °C до 20 °C скорость возрастает менее чем на 4%. Из значения 343 m/s следует полезное правило: на километр звуку нужно около 3 секунд. Поэтому по времени между молнией и громом можно оценить расстояние.
В жидкостях и твёрдых телах звук движется быстрее, чем в воздухе, поскольку их гораздо труднее сжать. Скорость зависит от жёсткости вещества и его плотности: чем жёстче, тем быстрее, а при близкой жёсткости звук быстрее в более лёгком веществе. OpenStax приводит значения для многих материалов. Резина составляет исключение с низкой скоростью из-за своей мягкости.
| Среда | Скорость звука (m/s) |
|---|---|
| Воздух, 0 °C | 331 |
| Воздух, 20 °C | 343 |
| Гелий, 0 °C | 965 |
| Пресная вода, 20 °C | 1480 |
| Морская вода, 20 °C | 1540 |
| Сталь | 5960 |
| Вулканизированная резина | 54 |
Высота тона, диапазон слуха и эхо
Частоту звука мы воспринимаем как высоту тона. Люди с хорошим слухом обычно слышат частоты примерно от 20 Hz до 20 000 Hz. Более высокие частоты называют ультразвуком, более низкие инфразвуком. В слышимом диапазоне скорость почти не зависит от частоты. OpenStax объясняет это на примере марширующего оркестра: если бы высокие ноты распространялись быстрее низких, далёкие слушатели слышали бы музыку с нарушенным ритмом. Но этого не происходит.
Звук отражается от твёрдых поверхностей, и вернувшийся звук называют эхом. Если хлопнуть перед скалой и услышать эхо через 2 секунды, звук пройдёт путь туда и обратно. Значит, до скалы 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m. Летучие мыши находят насекомых по эху, а медицинское УЗИ использует отражения очень высоких частот внутри тела. Длины слышимых звуковых волн составляют от сантиметров до многих метров, поэтому звук также огибает дверные проёмы и углы. Так мы слышим человека в соседней комнате, не видя его.
Громкость и децибелы
Громкость связана с интенсивностью волны, то есть мощностью, переносимой через каждый квадратный метр. Слух охватывает огромный диапазон: самый слабый слышимый звук частотой 1000 Hz имеет интенсивность около 10⁻¹² W/m², а звук, повреждающий слух за секунды, примерно в 10¹² раз интенсивнее. Чтобы числа были удобнее, используют шкалу децибел: β = 10 log₁₀(I / I₀), где I₀ = 10⁻¹² W/m². Увеличение интенсивности в 10 раз добавляет 10 dB, а удвоение добавляет около 3 dB. OpenStax указывает около 60 dB для обычного разговора и около 120 dB для громкого рок-концерта, у порога болевого ощущения. В примечании сказано: ряд государственных и медицинских организаций рекомендует без защиты слуха не превышать 85 dB в течение 8 часов в день.
- Используй v = 331 m/s × √(T/273 K). Какова скорость звука при 30 °C (303 K)? Округли до одного знака после точки.
- Ты увидел молнию, а через 6.0 s услышал гром. На каком расстоянии в km ударила молния, если скорость звука 343 m/s? Округли до двух знаков после точки.
- Ты хлопнул перед скалой и услышал эхо через 2.0 s. Скорость звука равна 343 m/s. Как далеко находится скала?
- В какой из этих сред звук распространяется быстрее всего?
- Сталь
- Пресная вода
- Воздух при 20 °C
- Гелий
- Почему космонавты не слышат крики друг друга через пустое космическое пространство?
- Звуку нужна среда для распространения
- В космосе звук движется слишком быстро
- В космосе слишком холодно для звука
- Их голоса слишком высокие
- Во сколько раз звук уровня 90 dB интенсивнее звука уровня 60 dB?
- В 1000 раз
- В 30 раз
- В 3 раза
- В 1.5 раза
- Два одинаковых динамика воспроизводят один звук, удваивая интенсивность. Уровень повышается примерно на…
- 3 dB
- 10 dB
- 2 dB
- 20 dB
- При 20 °C (343 m/s) чему равна длина волны самого низкого слышимого человеком звука частотой 20 Hz? Округли до одного знака после точки.
- Какое свойство звука мы воспринимаем как высоту тона?
- Частота
- Амплитуда
- Скорость
- Температура
- В звуковой волне в воздухе молекулы воздуха…
- Движутся вперёд и назад вдоль направления распространения
- Летят от источника к уху
- Движутся вверх и вниз поперёк направления распространения
- Остаются совершенно неподвижными
- Звук представляет собой продольную волну давления и нуждается в среде.
- В воздухе: 331 m/s при 0 °C, 343 m/s при 20 °C; v = 331 √(T/273 K).
- В жидкостях и твёрдых телах быстрее: вода 1480 m/s, сталь 5960 m/s.
- Слух: примерно от 20 Hz до 20 000 Hz. +10 dB = 10 × интенсивность, +3 dB ≈ 2 ×.
Источники курса (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
Проверено: 2026-10-17