Физическая викторина. Механика. Колебательное движение и звук
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Маятник Фуко. К потолку с помощью подвеса Кардана прикрепить один конец железной проволоки длиной 2—3 м и диаметром 1 мм, а к другому ее концу привязать шар в 40—50 Н (рис.). Свет проекционного фонаря, из которого удалены конденсор и объектив, направить на шар и получить на экране его теневую проекцию на фоне черного вертикального шнура, расположенного в непосредственной близости от экрана. Отвести маятник на 4—5° от положения равновесия и закрепить нитью в плоскости, проходящей через фонарь и шнур. Пережечь нить. Тень колеблющегося маятника будет сначала двигаться вдоль шнура, а затем сойдет с него. Объяснить явление.
2. К деревянному щиту прикреплены два цилиндрических сосуда, наполненные до половины водой и соединенные между собой посередине резиновыми трубками с зажимами K1, K2 (Рис.). Если отклонить прибор в сторону и предоставить ему качаться около оси О при открытом зажиме K2 и закрытом K1, то прибор до остановки совершит 15—20 качаний; если же оба зажима открыты, то 1—2 качания. Объяснить явление. Какое практическое значение оно имеет?
3. На штативе подвесить бифилярно два маятника (рис.). Как, не дотрагиваясь до маятников, привести только один из них в интенсивное колебательное движение?
4. Удивительный маятник. Маятник, подвешенный на фоне фанерного экрана (рис. а), отвести в сторону и отпустить. Через некоторый промежуток времени колебания маятника прекратятся, но затем постепенно он снова раскачивается, причем максимальная амплитуда его колебаний достигает почти прежней величины. Так повторится 2—3 раза. Объяснить «секрет» устройства прибора и загадочное поведение маятника.
5. В штативе укрепить круглодонную колбу, закрытую резиновой пробкой с проходящей сквозь нее стеклянной трубкой. К нижнему концу трубки на короткой нитке подвесить маленький колокольчик или бубенчик, а на верхний конец надеть небольшой отрезок резиновой трубки с зажимом. В колбу налить немного воды (рис.).
Вынуть пробку из колбы и нагреть воду до кипения. Через 3 мин после начала кипения вставить пробку с бубенчиком обратно в колбу и быстро отодвинуть спиртовку. После того как колба остынет, раскачать ее, заставляя звучать бубенчик. На расстоянии одного метра звон совершенно не слышен. Звон значительно усиливается, если открыть зажим. Объяснить явление.
6*. Как объяснить происхождение сильного, напоминающего взрыв звука, который доходит до нас от пролетающего реактивного самолета?
7*. Когда самолет летит со сверхзвуковой скоростью, звук от его двигателей В и С (рис.) заполняет два конуса B1ВB2 и C1СC2. Летчик находится в точке А вне этих конусов. Слышит ли он звук двигателей?
8. С помощью звукового генератора заставить звучать репродуктор и медленно приближать его к боковой стене аудитории. Звук, воспринимаемый наблюдателями, будет то усиливаться, то ослабевать. Объяснить явление.
9. Собрать установку по рисунку. (Скачать рисунок большого размера). На рисунке 1 — звуковой генератор; 2 — репродуктор; 3 — тонкостенные химические стаканы (или мензурки) разного размера; 4 — подвешенные к штативам маленькие стеклянные шарики (например, бусы), которые слегка касаются краев стаканов. Включив генератор, заставить репродуктор звучать. Изменяя частоту звука, добиться, чтобы шарики отскакивали поочередно—сначала только от более близкого к репродуктору стакана, а затем только от более удаленного. Объяснить явление.
10*. Ножку звучащего камертона приложить к столу. Звук усилится и станет слышен по всей комнате. Не противоречит ли это явление закону сохранения энергии, ведь, очевидно, колебания стали более интенсивными?
11*. Что вы знаете об ультразвуковой локации в мире живой природы?
12. Привести примеры использования инфразвуков в мире живой природы.
13. На рисунке изображен вид сверху на водную поверхность, по которой плывут три пловца, оставляя за собой круговые волны. Центры окружностей изображают последовательные положения пловцов. В какую сторону они плывут? Какова скорость каждого пловца, если скорость волн 0,5 м/с?
Ответы
1. Тень шара сходит с направления, обозначенного шнуром, потому что плоскость колебания маятника сохраняет свое положение в пространстве, а стены класса вращаются вместе с Землей против часовой стрелки.
2. 1. При закрытом зажиме K1 прибор колеблется вместе с водой как одно целое. Если оба зажима открыты, то столб воды в сосудах колеблется в фазе, противоположной фазе колебания щита. Вследствие трения воды о стенки сосудов колебания быстро затухают.
2. Это явление используется при устройстве успокоителей качки судов, которое состоят из двух больших цистерн, заполненных наполовину водой и соединенных между собой трубами. Под действием качки судна вода переливается из одной цистерны в другую и значительно уменьшает качку.
3. Надо сообщать небольшие толчки штативу в такт колебаниям одного из маятников. Получая с каждым толчком новый запас энергии, он постепенно раскачивается (резонанс). Эти толчки не смогут сильно раскачать второй маятник, так как он имеет другой период колебаний.
4. Устройство прибора ясно из рисунка б. Энергия колебания маятника А передается маятнику Б через проволоку ВВ, на которой они подвешены. Когда маятник А остановится, амплитуда колебаний маятника Б станет максимальной. После этого энергия колебания начнет перетекать обратно от маятника Б к маятнику А.
5. Пары кипящей воды вытесняют из колбы воздух. После того как колбу закроют пробкой, пары конденсируются и в колбе образуется разреженное пространство, в котором звук распространяется плохо.
6. Перед летящим со сверхзвуковой скоростью самолетов образуется ударная волна — конический слой воздуха, в котором на расстоянии нескольких стотысячных долей сантиметра происходит резкое увеличение давления и плотности (рис.). Ударная волна движется со скоростью самолета и, доходя до наблюдателя, оказывает сильное действие на его органы слуха.
7. Да, звук от двигателей доходит до летчика по наполняющему самолет воздуху, который движется вместе с самолетом, но остается неподвижным относительно летчика и двигателей.
8. Опыт объясняется интерференцией звуковых волн — прямой, идущей от репродуктора, и отраженной от стены. При движении репродуктора разность хода волн до наблюдателя изменяется, что и приводит к периодическим изменениям силы звука.
9. Стенки стаканов начинают колебаться под влиянием звуковой волны, когда частота звука станет равной их собственной частоте, т. е. наступит звуковой резонанс.
10. Если камертон не касается стола, его слабые звуковые колебания продолжаются сравнительно долго, камертон, приложенный к столу, вызывает колебания его крышки, однако их совместные колебания быстро прекращаются. Таким образом, в обоих случаях расходуется одинаковая энергия.
11. 1. Летучая мышь. Издает ультразвуки, а затем улавливает эхо, отраженное от препятствий. Обладая способностью оценивать сверхкороткие промежутки времени от посылки звукового сигнала до его возвращения, она очень точно определяет расстояние до насекомых, за которыми охотится, и уверенно, не натыкаясь на деревья, летает в густом лесу.
Частота звуков, издаваемых летучей мышью, достигает 50 кГц, т. е. лежит далеко за пределами частот, слышимых человеком. Мышь делает до 30 ультразвуковых посылок в 1 с, продолжительностью 1 мс каждая. За 1 мс звук проходит около 34 см, следовательно, летучая мышь может обнаружить препятствие на расстоянии от 17 см и дальше.
2. Кашалот — водное млекопитающее из подотряда зубастых китов. Достигает 19 м длины и 106 Н веса. Имеет хороший ультразвуковой эхолокатор: в надчерепном пространстве есть воздушные мешки, разделенные тонкой перегородкой. Сжимая особые мышцы, кит перекачивает воздух из одного мешка в другой, заставляя этим колебаться перегородку с ультразвуковой частотой. Улавливая отраженные сигналы, он отыскивает добычу на глубине до 2 км.
3. Дельфин обладает совершенным звуколокационным аппаратом. Его локационные посылки имеют частоту от 750 Гц до 800 кГц. Частота посылок и интервалы между ними зависят от расстояния до отражающего тела. Удивительная способность дельфина отличать сигналы, отраженные рыбами, от сигналов, отраженных предметами таких же размеров. Он может обнаружить брошенную в воду дробинку на расстоянии до 20—30 м.
12. Во время шторма трение волн о воздух порождает инфразвуки с частотой 8—13 Гц, которые с большой скоростью распространяются по воде. Эти звуки, недоступные для слуха человека, воспринимают простейшие морские животные — медузы, благодаря чему они за много часов узнают о приближении шторма. У медузы есть стебелек, оканчивающийся шаром с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончание нерва. Первой воспринимает «голос» шторма колба с жидкостью, затем через камешки этот голос передается нервам.
Изучение органов медузы, воспринимающих инфразвуки, позволило ученым построить прибор, предсказывающий приближение шторма за 15 ч. В этом приборе есть рупор, улавливающий звуки, резонатор, пропускающий инфразвуковые колебания, пьезодатчик, преобразующий эти колебания в электрические импульсы, усилитель этих импульсов и прибор, регистрирующий их силу (рис.).
13. Центр O1 самой большой окружности изображает первоначальное положение пловца. Значит, все они плывут от точки O1 к точке В. За время, в течение которого первый пловец проплывет расстояние O1A, волна 1 пройдет расстояние O1В. Как следует из измерения по рисунку, O1В = 2O1А. Поэтому скорость первого пловца 0,25 м/с. Скорость второго пловца равна скорости волн, т. е. 0,5 м/с. Скорость третьего пловца в два раза больше скорости волн — 1 м/с.