Задача про колокол
методическая разработка по физике (9, 11 класс) на тему

Сопровождение к презентации «Задача про колокол»

К1. Проблема…

Я предлагаю обсудить следующую проблему: однажды человек, стоявший вблизи собора, увидел, что удары по большому колоколу производятся через каждую секунду  (по всей видимости, он имел в своём  распоряжении прибор для отсчёта времени, коим могли быть часы с секундной стрелкой или просто секундомер). Отойдя от собора, он заметил, что видимые и слышимые удары не совпадают. Однако отойдя еще дальше, он снова наблюдал совпадение видимых и слышимых ударов о колокол.  Думаю, всем нам очень интересно было бы узнать: На каком расстоянии от собора он находился в последнем случае?

К2. Прежде, чем ответить на основной вопрос, подумаем, почему на некотором расстоянии видимые и слышимые удары не совпадают? Ответ очевиден:  причина кроется в том, что скорость звука много меньше скорости света. Ярким подтверждением этого факта является отставание грома от вспышки молнии во время грозы. Всем знакомы числовые значения скоростей, установленные опытным путём. Скорость света в вакууме (максимально допустимая в природе скорость) равна 300 тысячам  км в секунду, а скорость звука составляет несколько сотен метров в секунду. К ней мы ещё вернёмся.

К3.Менее очевиден ответ на вопрос, почему вдруг на некотором расстоянии от источника звука, видимые и слышимые удары о колокол вновь  совпадают. Это может произойти только в том случае, если  человек слышит предыдущий перед видимым удар. То есть, слышимый человеком удар произошёл  1 секунду назад.

К4. Зная время распространения звука и его скорость, легко определить расстояние, на котором видимые и слышимые удары совпадают: S = υ звука *t, (звук в однородной среде распространяется равномерно).

А сейчас вернёмся к величине скорости звука в воздухе. Следует помнить, что, во-первых, скорость звука в газах увеличивается с повышением температуры.( При повышении температуры воздуха  на  1°С скорость звука в нем увеличивается на 0,59 м/с.)

К5. Перед вами значения скоростей при различных температурах.

К6.  Обратите внимание  на то, что зависимость  скорости звука от температуры воздуха приводит к изменению направления распространения звука.

Во-вторых, на скорость распространения звука оказывает влияние влажность воздуха (ночью, когда влажность больше, звуки распространяются быстрее). Хотя, следует отметить, что влияние влажности менее значительно, чем температуры.

И, в-третьих,  на скорость распространения звука оказывает влияние ветер, его направление и сила. Поэтому однозначного цифрового ответа в этой задаче  дать нельзя.

К7. Будем считать воздух сухим, имеющим температуру 0 0С. Скорость звука при данных условиях равна 330 м/с.  (При решении задач обычно берут значение скорости в пределах от 330 до 340 м/с). Тогда определяемое расстояние будет равно 330 м. Заметим,  что в условиях хорошей видимости совпадение будет повторяться через целое число секунд, на расстояниях 660, 990 м. Имея бинокль, увидим похожую ситуацию на расстоянии 1320 м, и так далее, поскольку звуковая волна может проходить различные расстояния. Например, орудийная стрельба слышна на расстоянии 10-15 км, лай собак (ржание лошадей) – 2-3 км, а шёпот – несколько метров.

К8. И так, ответ на вопрос задачи: при  совпадении видимых и слышимых ударов о колокол человек находился на расстоянии  S =υ звука   *t от собора, где время t равно целому числу секунд.

К9. Спасибо за внимание!