Question

我國北方常遭遇嚴(yán)重的沙塵暴天氣，所謂沙塵暴可以簡化為如下情景：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，可視為這時風(fēng)對沙塵的作用力與沙塵的重力平衡．已知風(fēng)對沙塵粒的作用力大小的可近似表達(dá)為f=πρ_空r²v²，式中ρ_空為空氣密度，r為沙塵粒的半徑（沙塵粒可近似看成球體，且球體的體積V=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=1.25㎏/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0.21㎏/m³，則要形成沙塵暴現(xiàn)象，地面的風(fēng)速至少為    m/s，當(dāng)?shù)孛娴娘L(fēng)速為10m/s時，沙塵暴的最大高度為    km．

Answer 1

【答案】分析：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；由平衡條件求出風(fēng)速為10m/s時空氣的密度，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：沙塵顆粒受重力G=mg=ρ_沙Vg=ρ_沙πr³g與空氣作用力為f=πρ_空r²v²作用而平衡，
在地面附近空氣密度ρ=1.25kg/m³，由平衡條件得：ρ_沙πr³g=ρ_空πr²v²，
則v==≈4m/s；
當(dāng)風(fēng)速v=10m/s時，由ρ_沙πr³g=ρ_空πr²v²，得：
ρ===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0.21㎏/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：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．