Question

3．2012年10月15日，奧地利著名極限運(yùn)動(dòng)員鮑姆加特納乘坐熱氣球從距地面高度約39km的高空跳下，并成功著陸．如圖所示．該熱氣球由太空艙，繩索和氣囊三部分組成．氣囊與太空艙之間利用繩索連接．在加熱過程中氣囊中氣體受熱膨脹．密度變小，一部分氣體逸出，當(dāng)熱氣球總重力小于浮力時(shí)便開始上升．假定鮑姆加特納是在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的，并經(jīng)歷了以下幾個(gè)運(yùn)動(dòng)階段：他首先乘坐熱氣球從地面開始加速上升到離地高h(yuǎn)₁=1km處，此階段繩索對(duì)太空艙向上的總拉力恒為F₁=3002.5N；接著再勻速上升到離地面高h(yuǎn)₂=38km處，此階段繩索對(duì)太空艙向上的總拉力恒為F₂=3000N；然后再減速上升到離地高h(yuǎn)₃=39km處，此階段繩索對(duì)太空艙向上的總拉力恒為F₃=2997.5N；他在上升過程中共用時(shí)t₁=1×10⁴s，在離地高39km處立即跳下．自由下落t₂=4min后速度已超過音速，最后打開降落傘，又用時(shí)t₃=16min又安全到達(dá)地面．忽略髙度對(duì)g的影響，取g=10N/kg．求：
①從離開地面到安全返回地面的整個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)員的平均速度是多少？（結(jié)果取整數(shù)）
②在熱氣球上升過程中．繩索對(duì)太空艙向上的總拉力做功的平均功率是多少？
③當(dāng)熱氣球上升到離地高20km處．若熱氣球總質(zhì)量（含氣囊里面氣體）m=7.18×10⁴kg，整個(gè)熱氣球的體積V=8×10⁵m³，整個(gè)熱氣球受到的空氣阻力f=2×10³N，不考慮氣流（或風(fēng)） 對(duì)熱氣球的影響．則此高度處的空氣密度是多少？

Answer 1

分析 （1）已知總路程和總時(shí)間，利用v=$\frac{s}{t}$計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的速度；
（2）計(jì)算出三個(gè)階段繩索拉力做的總功，利用P=$\frac{W}{t}$計(jì)算功率；
（3）根據(jù)漂浮狀態(tài)求出浮力大小，利用阿基米德原理可求空氣密度．

解答 解：
①從離開地面到安全返回地面的過程中，運(yùn)動(dòng)員的總路程：s=2h₃=2×39km=78km=7.8×10⁴m；
從離開地面到安全返回地面的過程中，運(yùn)動(dòng)員的總時(shí)間：t=t₁+t₂+t₃=1×10⁴s+4×60s+16×60s=1.12×10⁴s；
從離開地面到安全返回地面的過程中，運(yùn)動(dòng)員的平均速度：v=$\frac{s}{t}$=$\frac{7.8×1{0}^{4}m}{1.12×1{0}^{4}s}$≈7m/s．
②在熱氣球上升階段，繩索對(duì)太空艙向上的總拉力做功有三個(gè)階段：
第一階段：W₁=F₁h₁=3002.5N×1000m=3.0025×10⁶J，
第二階段：W₂=F₂（h₂-h₁）=3000N×（38000m-1000m）=1.11×10⁸J，
第三階段：W₃=F₃（h₃-h₂）=2997.5N×（39000m-38000m）=2.9975×10⁶J；
上升過程中拉力共做功：W=W₁+W₂+W₃=3.0025×10⁶J+1.11×10⁸J+2.9975×10⁶J=1.17×10⁸J，
在整個(gè)上升過程中總拉力的平均功率為P=$\frac{W}{t}$=$\frac{1.17×1{0}^{8}J}{1{0}^{4}s}$=1.17×10⁴W；
③熱氣球的總重力為：G=mg=7.18×10⁴kg×10N/kg=7.18×10⁵N，
熱氣球受到的空氣浮力為：F_浮=G+f=7.18×10⁵N+2×10³N=7.2×10⁵N，
由F_浮=ρ_空氣gV_排得空氣的密度：
ρ_空氣=$\frac{{F}_{浮}}{g{V}_{排}}$=$\frac{7.2×1{0}^{5}N}{10N/kg×8×1{0}^{5}{m}^{3}}$=0.09kg/m³．
答：①從離開地面到安全返回地面的整個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)員的平均速度是7m/s；
②在熱氣球上升過程中．繩索對(duì)太空艙向上的總拉力做功的平均功率是1.17×10⁴W；
③此高度處的空氣密度是0.09kg/m³．

點(diǎn)評(píng) 速度、功率、密度的綜合計(jì)算題，是中考?jí)狠S類型．