Имеются два когерентных источника звука, совершающих колебания в одинаковых фазах. В точке, отстоящей от первого источника на $x_{1} = 2,3$ м и от второго на $x_{2} = 2,48$ м, звук не слышен. Минимальная частота, при которой это возможно, ν = 1 кГц. Найдите скорость звука.
Дано:
$x_{1} = 2,3$ м;
$x_{2} = 2,48$ м;
ν = 1 кГц.
Найти:
v − ?
СИ:
ν = 1 000 Гц.
Решение:
Найдем разность хода двух звуковых волн:
$△x = x_{2} - x_{1}$ (м);
Звук не будет слышан, если звуковые волны от источников в заданной точке окажутся в противофазе, т. е. смещение составит половину длины волны:
$△x = \frac{λ }{2} = x_{2} - x_{1}$;
$λ = 2 * (x_{2} - x_{1})$;
Найдем скорость распространения звуковых колебаний:
$v = νλ = 2ν * (x_{2} - x_{1})$;
v = 2 * 1000 * (2,48 − 2,3) = 360 м/с.
Ответ: 360 м/с.
Для решения задачи необходимо подробно разобрать теоретическую основу, связанную с явлением интерференции звуковых волн.
Основы интерференции волн
Интерференция — это процесс наложения волн, при котором результирующая амплитуда в точках пространства зависит от взаимного фазового соотношения этих волн. Если две волны когерентны (имеют одинаковую частоту и стабильную разность фаз), то их наложение может привести либо к усилению, либо к ослаблению звука.
Разность хода волн
Разность хода — это разница в расстояниях, пройденных каждой из волн до точки наблюдения. В задаче:
$$
\Delta x = |x_2 - x_1| = |2.48\, \text{м} - 2.3\, \text{м}|.
$$
Эта разность хода определяет, каким образом волны будут интерферировать в точке.
Условие отсутствия звука
Если звук не слышен в данной точке, это означает, что происходит деструктивная интерференция. Волны приходят в противофазе, и их амплитуды взаимно компенсируются. Для этого необходимо выполнение условия:
$$
\Delta x = \left(n + \frac{1}{2}\right)\lambda,
$$
где $\lambda$ — длина волны, а $n$ — любое целое число. Мы должны определить длину волны, которая соответствует разности хода.
Связь длины волны, частоты и скорости звука
Длина волны $\lambda$ связана с частотой $\nu$ и скоростью звука $v$ следующим соотношением:
$$
\lambda = \frac{v}{\nu}.
$$
В задаче частота задана: $\nu = 1\, \text{кГц} = 1000\, \text{Гц}$. Величина $\Delta x$ известна и равна $0.18\, \text{м}$. На основе этих данных можно найти скорость звука.
Минимальная частота
Условие задачи предполагает, что минимальная частота звука $ν = 1 \, \text{кГц}$ соответствует первому случаю деструктивной интерференции (наименьшее значение разности фаз). Это означает, что $n = 0$, и разность хода волны равна половине длины волны:
$$
\Delta x = \frac{\lambda}{2}.
$$
Подставляя эту форму в выражение для длины волны, можно найти скорость звука $v$:
$$
\lambda = 2 \cdot \Delta x, \quad v = \lambda \cdot \nu.
$$
Эти теоретические соотношения являются основой для решения задачи.
Пожауйста, оцените решение