Question

1．我國(guó)北方常遭遇嚴(yán)重的沙塵暴天氣，所謂沙塵暴可以簡(jiǎn)化為如下情景：快速向上刮起的大風(fēng)將大量沙塵顆粒揚(yáng)起后懸浮在空中，可視為這時(shí)風(fēng)對(duì)沙塵的作用力與沙塵的重力平衡．已知風(fēng)對(duì)沙塵粒的作用力大小的可近似表達(dá)為f=1/2πρ_空r²v²，式中ρ_空為空氣密度，r為沙塵粒的半徑（沙塵�？山�似看成球體，且球體的體積V=4/3 πr³），v為風(fēng)速，如果沙塵粒的密度ρ_沙=3×10³㎏/m³，沙塵粒的半徑r=2.5×10^-4m，地面的空氣密度ρ_空=1.25kg/m³，若空氣密度ρ空隨地面高度h的變化關(guān)系為每升高1km空氣密度減少0.21kg/m³，則要形成沙塵暴現(xiàn)象，地面的風(fēng)速至少為4m/s，當(dāng)?shù)孛娴娘L(fēng)速為10m/s時(shí)，沙塵暴的最大高度為5.25km．

Answer 1

分析 （1）沙塵顆粒受豎直向上的風(fēng)力f與豎直向下的重力G作用處于平衡狀態(tài)，由二力平衡條件知，重力G和風(fēng)力F相等，列出等式，解方程求出風(fēng)的速度；
（2）由平衡條件求出風(fēng)速為10m/s時(shí)空氣的密度，再求出空氣密度隨高度變化的關(guān)系，最后由空氣的密度求出沙塵暴的高度．

解答 解：
（1）沙塵顆粒受重力G=mg=ρ_沙Vg=ρ_沙$\frac{4}{3}$πr³g與空氣作用力為f=$\frac{1}{2}$πρ_空r²v²作用而平衡，
在地面附近空氣密度ρ₀=1.25kg/m³，由平衡條件得：ρ_沙$\frac{4}{3}$πr³g=$\frac{1}{2}$ρ_空πr²v²，
則v=$\sqrt{\frac{8{ρ}_{沙}rg}{3{ρ}_{空}}}$=$\sqrt{\frac{8×3×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×2.5×1{0}^{-4}m×10N/kg}{3×1.25kg/{m}^{3}}}$=4m/s；
（2）當(dāng)風(fēng)速v=10m/s時(shí)，由ρ_沙$\frac{4}{3}$πr³g=$\frac{1}{2}$ρ_空πr²v²，得：
ρ=$\frac{8{ρ}_{沙}rg}{3{v}^{2}}$=$\frac{8×3×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×2.5×1{0}^{-4}m×10N/kg}{3×（10m/s）^{2}}$=0.2kg/m³
空氣密度ρ_空隨地面高度h的變化關(guān)系為每升高1km空氣密度減少0.21kg/m³，
ρ與h的關(guān)系式是：ρ=ρ_空-0.21h；
代入數(shù)據(jù)，有：0.2=1.25-0.2h，解得h=5.25km．
故答案為：4；5.25．

點(diǎn)評(píng) 沙塵顆粒被揚(yáng)起后懸浮在空氣中，是靜止的物體，受到平衡力的作用，根據(jù)平衡條件列出等式進(jìn)行計(jì)算是解題的關(guān)鍵．