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主题:还有一道初中物理题
1楼
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laofu
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2022-08-18 23:48:33
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在任何高度上,温度肯定是内外一致的,如果不考虑气球面料的张力的话,内外的压强应该也一样。那么,产生的浮力是相同的(同温同压同体积的任何气体包含的分子数相同),=气球里氦气分子数量*(平均空气分子质量-氦气分子质量),所以会一直往上飞。
如果假设气球面料的张力是随体积增加而增加的、且增加非常快,或者干脆假设气球体积不会变,那气球会停在某个高度。
【 在 hycc 的大作中提到: 】
: 我感觉好像有点不太好确定,气球上升过程中,空气的密度是变小了,但相应的大气压也变小,气球体积会变大,那浮力究竟是变小还是变大呢,好像不太好确定。如果再考虑细一点,还得考虑温度对气球体积的影响,就更复杂了。
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FROM 120.229.69.*
52楼
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laofu
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2022-08-19 11:09:41
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要看气球的体积增大的速度,相应地就是看气球氦气密度降低的速度。如果这个速度和空气密度降低的速度一样,是不是就是浮力保持不变了?
如果氦气密度降低的速度比空气的慢,那么在某个高度上应该有气球整体密度等于空气密度的地方,存在一个平衡点,气球最后会停在这里。
至于会不会反复运动,因为有空气阻力,也就是有阻尼,阻尼足够大就不会有震荡。
【 在 hycc 的大作中提到: 】
: 你说的我不是很理解,但我认为随着高度的上升,大气压下降,那么气球的体积肯定是增大的(如果不考虑温度带来的热胀冷缩的影响),而空气的密度却是减少的,所以根据阿基米德原理,无法判定浮力是增大还是减少。答案是D,解释是空气密度不小,气球体积不变,浮力会变小,到一
: 定高度会出现浮力等于重力,再考虑惯性作用,就会出现上升下降这样的反复运动。
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FROM 120.229.69.*
54楼
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laofu
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2022-08-19 11:36:50
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一般材料撑得越大张力越大。
你是不是套用水泡的经验了,水泡的表面张力与水泡大小无关,方向沿表面切线,所以越大的泡产生的压强越小。
【 在 piginskybbc 的大作中提到: 】
: 从经验公式,气球越大,能提供的张力越小。
: 当膨胀到一定程度,内外压差可以忽略。
: 当然,这时候实际气球应该早已经爆炸了。
: ...................
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FROM 120.229.69.*
123楼
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laofu
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2022-08-20 10:14:44
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有这个想法的,一是大大低估了空气的阻力,二是大大高估了空气密度随高度下降的速度。这是不能用“在水缸里按软木塞”来类比的。
当空气浮力能起作用的时候,空气阻力通常不能忽视。粗略估算,球状物体的空气阻力约等于 0.25*空气密度*球投影面积*球速度的平方。而浮力约等于 球体积*(空气密度-氦气密度)。
地面空气密度大约是 1.29,氦气密度约 0.179。设气球半径10米,可以估算出在地面能达到的上升速度约为 21m/s。
在15500米的高度,空气密度降低到0.197(约为氦气密度的1.1倍),在16100米降低到0.180。
就算气球到达15500米时还能保持 21m/s 的速度,可以估算出来大约经过0.5秒、上升6米后就降到对应的平衡速度6.9m/s。
可以看出,气球速度可以非常快地收敛到所在高度对应的平衡速度。当它到达密度平衡点时,速度降到0,不会有振荡了。
【 在 hutu 的大作中提到: 】
: D。要我自己做题,我就这样想:在近地表的地方,气球肯定上升,如果气球一直保持不破裂,那上升到解决真空的地方,就会下沉。所以气球就是个谐振子一样了
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FROM 120.229.69.*
132楼
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laofu
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2022-08-23 17:52:05
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你自己找一下错在哪儿吧。不可能在15550米振荡,15550米空气密度是氦气的约1.1倍,远没有到密度平衡点。
如果是在16100米(再往上一点)震荡,你检查一下是不是把15550~16100的空气密度当作是常数、过了16100当作是0
【 在 MeiYou9 的大作中提到: 】
: 用你的模型写了个程序,
https://codeshare.io/9O3Wm7
: 结果会在15550米附近震荡很多秒
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FROM 120.229.69.*
134楼
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laofu
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2022-08-24 09:01:15
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用这个也可以。你的程序没法打开,看不了。你说一下你算出来的 15500米的速度、第一次经过15550米的速度,以及到达的最大高度吧。
【 在 MeiYou9 的大作中提到: 】
: 我的空气密度是根据nasa的公式算的
https://zhuanlan.zhihu.com/p/268161361
,15550
: 处差不多和氦气一样
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FROM 120.229.69.*
148楼
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laofu
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2022-08-24 19:37:22
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按这个大气模型和球体阻力模型,还真的是你算的这些数,看来是我高估末段的空气阻力了。
按这个模型算了下,气球超出平衡点的最大高度约为 2.2r,r是气球半径,有意思。
【 在 MeiYou9 的大作中提到: 】
: 代码在这:
http://tpcg.io/_VXO5XH
: 到15500和15550的速度分别是2.44m/s和1.39m/s最大高度15573m
: 关键点:
: ...................
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FROM 120.229.69.*
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