сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 259
i

Воз­душ­ный шарик на­ка­чан ге­ли­ем до объёма V0  =  3 л. Для того, чтобы удер­жи­вать шарик у по­верх­но­сти Земли, надо при­кла­ды­вать силу F0. По­ла­гая, что ат­мо­сфе­ра яв­ля­ет­ся изо­тер­ми­че­ской и дав­ле­ние с вы­со­той h па­да­ет по ли­ней­но­му за­ко­ну P  =  P0 − P'h, где P0  =  105 Па  — ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние у по­верх­но­сти Земли, а кон­стан­та P'  =  12 Па/м, най­ди­те вы­со­ту H, до ко­то­рой под­ни­мет­ся шарик, если его от­пу­стить.

1.  Сна­ча­ла ре­ши­те за­да­чу в пред­по­ло­же­нии, что объём ша­ри­ка не ме­ня­ет­ся при из­ме­не­нии внеш­не­го дав­ле­ния. Чис­лен­ный ответ по­лу­чи­те для F0  =  0,01 Н.

2.  Учти­те те­перь то, что при умень­ше­нии внеш­не­го дав­ле­ния шарик уве­ли­чи­ва­ет­ся в раз­ме­рах. Пусть рас­ши­ре­ние ша­ри­ка опре­де­ля­ет­ся упрощённым за­ко­ном P_in минус P=P_\Delta, где Pin  — дав­ле­ние внут­ри ша­ри­ка, а кон­стан­та P_\Delta=10 в сте­пе­ни 4 Па. Удер­жи­ва­ю­щая сила равна F0  =  0,001 Н.

Плот­ность воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли равна \rho_0=1,2 кг/м3, уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния g  =  10 м/с2 счи­тать не ме­ня­ю­щим­ся с вы­со­той.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Сила, дей­ству­ю­щая на шарик, равна раз­но­сти его веса и силы Ар­хи­ме­да, F= минус левая круг­лая скоб­ка m плюс M_He пра­вая круг­лая скоб­ка g плюс \rho Vg, левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка где \rho= дробь: чис­ли­тель: P, зна­ме­на­тель: P_0 конец дроби \rho_0   — плот­ность изо­тер­ми­че­ско­го воз­ду­ха на вы­со­те h, а V  — тек­щий объем ша­ри­ка, MHe  — масса гелия в ша­ри­ке, m  — масса его обо­лоч­ки. Сна­ча­ла счи­та­ем, что шарик не из­ме­ня­ет сво­е­го объёма в про­цес­се под­ня­тия, так что V  =  V0. Когда шарик на­хо­дил­ся у по­верх­но­сти Земли, урав­не­ние (1) сво­дит­ся к F_0= минус левая круг­лая скоб­ка m плюс M_He пра­вая круг­лая скоб­ка g плюс \rho_0 V_0 g. левая круг­лая скоб­ка 2 пра­вая круг­лая скоб­ка Снова воз­вра­тим­ся к (1), за­пи­сав его для мак­си­маль­ной вы­со­ты H, ко­то­рая опре­де­ля­ет­ся усло­ви­ем ра­вен­ства нулю дей­ству­ю­щей на него пол­ной силы F:

H_s= дробь: чис­ли­тель: P_0 F_0, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка \rho_0 V_0 g конец дроби =2300м.

Те­перь учтём то, что шарик рас­ши­ря­ет­ся, по­сколь­ку на вы­со­те дав­ле­ние ат­мо­сфе­ры па­да­ет. По­сколь­ку ат­мо­сфе­ра пред­по­ла­га­ет­ся изо­тер­ми­че­ской, объём ша­ри­ка V и дав­ле­ние внут­ри него Pin свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем

P_i n V=P_i n, 0 V_0=const,

V=V_0 плюс \Delta V.

Вос­поль­зо­вав­шись тем, что раз­ность дав­ле­ний сна­ру­жи ша­ри­ка и внут­ри него по­сто­ян­на, P=P_in минус P_\Delta, по­лу­ча­ем, что

P V= левая круг­лая скоб­ка P_i n минус P_\Delta пра­вая круг­лая скоб­ка V=P_i n, 0 V_0 минус P_\Delta V_0 минус P_\Delta левая круг­лая скоб­ка V минус V_0 пра­вая круг­лая скоб­ка =P_0 V_0 минус P_\Delta \Delta V.

По­это­му силу (1), дей­ству­ю­щую на шарик, можно вы­ра­зить через при­ра­ще­ние объёма \Delta V:

F= минус левая круг­лая скоб­ка m плюс M_H e пра­вая круг­лая скоб­ка g плюс дробь: чис­ли­тель: \rho_0 P V, зна­ме­на­тель: P_0 конец дроби g=F_0 минус дробь: чис­ли­тель: \rho_0 P_\Delta \Delta V, зна­ме­на­тель: P_0 конец дроби g.

Шарик пре­кра­тит под­ни­мать­ся, когда дей­ству­ю­щая на него сила будет равна нулю, F  =  0, то есть когда его объём воз­растёт на

\Delta V= дробь: чис­ли­тель: F_0 P_0, зна­ме­на­тель: \rho_0 P_\Delta g конец дроби =0,8л.

Те­перь надо из­ме­не­ние объёма свя­зать с из­ме­не­ни­ем дав­ле­ния, ко­то­рое в свою оче­редь даст вы­со­ту. Из­ме­не­ния внут­рен­не­го дав­ле­ния и объёма свя­за­ны между собой со­от­но­ше­ни­я­ми

 левая круг­лая скоб­ка V_0 плюс \Delta V пра­вая круг­лая скоб­ка \Delta P_i n плюс P_i n, 0 \Delta V=0,

\Delta P=\Delta P_\text in = минус дробь: чис­ли­тель: \Delta V, зна­ме­на­тель: V_0 плюс \Delta V конец дроби левая круг­лая скоб­ка P_0 плюс P_\Delta пра­вая круг­лая скоб­ка ,

P= дробь: чис­ли­тель: P_\Delta левая круг­лая скоб­ка m плюс M_H e пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: дробь: чис­ли­тель: \mu_ B , зна­ме­на­тель: \mu_ He конец дроби M_H e минус левая круг­лая скоб­ка m плюс M_H e пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби ,

где \mu_в и \mu_He  — мо­ляр­ные массы воз­ду­ха и гелия. Таким об­ра­зом, по­лу­ча­ем, что вы­со­та

H= дробь: чис­ли­тель: \Delta P, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби = дробь: чис­ли­тель: \Delta V, зна­ме­на­тель: V_0 плюс \Delta V конец дроби дробь: чис­ли­тель: P_0 минус P_\Delta, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби = левая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: P_0, зна­ме­на­тель: P_\Delta конец дроби плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: H_s, зна­ме­на­тель: 1 плюс дробь: чис­ли­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка H_S, зна­ме­на­тель: P конец дроби конец дроби = дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка P_0 плюс P_\Delta пра­вая круг­лая скоб­ка P_0 F_0, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка P_0 F_0 плюс P_\Delta \rho_0 V_0 g пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби =2000м.

По­лу­чен­ный нами ответ (5) по­ка­зы­ва­ет, что рас­ши­ре­ние ша­ри­ка зна­чи­тель­но по­вы­ша­ет вы­со­ту H (в нашем слу­чае с 230 м до 2000 м). Для обыч­ных ша­ри­ков она ока­зы­ва­ет­ся рав­ной не­сколь­ким де­сят­кам ки­ло­мет­ров, при этом ла­текс­ный шарик уве­ли­чи­ва­ет свой объём в 10 и более раз (а ре­зи­но­вый это сде­лать не может и ло­па­ет­ся).

 

Ответ: 1) H_s= дробь: чис­ли­тель: P_0 F_0, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка \rho_0 V_0 g конец дроби =2300м; 2) H= дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка P_0 плюс P_\Delta пра­вая круг­лая скоб­ка P_0 F_0, зна­ме­на­тель: P в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка \prime пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка P_0 F_0 плюс P_\Delta \rho_0 V_0 g пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби =2000м.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии по за­да­ниюБаллы
За­пи­са­но усло­вие ра­вен­ства нулю пол­ной силы, дей­ству­ю­щий на не из­ме­ня­ю­щий свой объём шарик; по­лу­чен ответ (во­прос 1)6
За­пи­са­но усло­вие ра­вен­ства нулю пол­ной силы, дей­ству­ю­щей на из­ме­ня­ю­щий свой объём шарик3
Най­де­на за­ви­си­мость плот­но­сти воз­ду­ха от вы­со­ты 2
Най­де­на ве­ли­чи­на из­ме­не­ния объёма ша­ри­ка в наи­выс­шей точке через F3
Най­де­на связь между из­ме­не­ни­ем объёма ша­ри­ка и вы­со­той 3
По­лу­чен окон­ча­тель­ный ответ (во­прос 2) 3
Классификатор: МКТ и тер­мо­ди­на­ми­ка. Изо­про­цес­сы