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从北京物理高考24题谈空气阻力
第一作者:胡继超
第二作者:陈曦
北京市高考物理试卷近年积极创新,将微观与宏观的结合,鼓励
同学利用所学物理知识解决生活问题,今年北京市高考物理第24题就
是一道非常有趣的问题。题目内容如下:
雨滴落到地面的速度通常仅为几米每秒,这与雨滴下落过程中受
到空气阻力有关。雨滴间无相互作用且雨滴质量不变,重力加速度为
g。
(1)质量为m的雨滴由静止开始,下落高度h时速度为u,求
这一过程中克服空气阻力所做的功W。
(2)将雨滴看作半径为r的球体,设其竖直落向地面的过程中所
vk
受空气阻力,其中是雨滴的速度,是比例系数。
ρr
a.设雨滴的密度为,推导雨滴下落趋近的最大速度与半径的
关系式;
vt
b.示意图中画出了半径为的雨滴在空气中无初速下落的-图线,
其中对应半径为的雨滴(选填①、②);若不计空气阻力,
vt
请在图中画出雨滴无初速下落的-图线。
(3)由于大量气体分子在各方向运动的几率相等,其对静止雨
滴的作用力为零。将雨滴简化为垂直于运动方向面积为S的圆盘,证
明:圆盘以速度v下落时受到的空气阻力(提示:设单位体积内
n
空气分子数为,空气分子质量为)。
标准解答如下:
(1)根据动能定理
可得
(2)a.根据牛顿第二定律
得
当加速度为零时,雨滴趋近于最大速度雨滴质量
a
由=0,可得,雨滴最大速度
b.①
如答图2
答图2
(3)根据题设条件:大量气体分子在各方向运动的几率相等,
其对静止雨滴的作用力为零。以下只考虑雨滴下落的定向运动。
简化的圆盘模型如答图3。设空气分子与圆盘碰撞前后相对速度大
t
小不变。在Δ时间内,与圆盘碰撞的空气分子质量为
答图3
F
以表示圆盘对气体分子的作用力,根据动量定理,有
得
由牛顿第三定律,可知圆盘所受空气阻力
采用不同的碰撞模型,也可得到相同结论。
一道好题,总是会激发同学们的思考,此题解罢,自然会有好奇
心强的同学提出疑问,空气阻力大小究竟和速度的二次方成正比还是
与速度的一次方成正比。
物体所受的空气阻力通常由三部分构成,第一是气流撞击物体所
产生的阻力,也就是本题让我们求解的部分,第二是摩擦阻力,通常
情况,车辆即使高速行驶,气流与车身的摩擦阻力也基本可以忽略不
计,第三则是外形阻力,当物体向前运动的时候,会在后面形成一个
真空区,从而导致周围气体分子加速运动,这部分阻力与气体的粘滞
系数、雷诺数以及外形(空气阻力系数)有关,在高速运动中,这部
分阻力占有主要作用。
这里我们先考虑对于雨滴这样的低速运动物体来说,如何利用碰
撞模型计算圆盘形雨滴下落时,气流撞击产生的空气阻力。
在碰撞模型中,应该把气体分为两部分,一部分是圆盘下方的气
体,一部分是圆盘上方的气体,当圆盘以速度v下落时,被圆盘上方
和下方的气体分子同时碰撞,产生的作用力之差为圆盘受到的由碰撞
产生的空气阻力。因为气体分子热运动的不规则性,同时与圆盘碰撞
的气体分子有不同的速
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