Question

【題目】2012年10月15日，奧地利著名極限運動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，當熱氣球總重力小于浮力時便開始上升． 假定鮑姆加特納是在豎直方向上運動的，并經歷了以下幾個運動階段：他首先乘坐熱氣球從地面開始加速上升到離地高h1=1km處，此階段繩索對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h2=38km處，此階段繩索對太空艙向上的總拉力恒為F2=3000N；然后再減速上升到離地高h3=39km處，此階段繩索對太空艙向上的總拉力恒為F3=2997.5N；他在上升過程中共用時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t3=16min又安全到達地面．忽略髙度對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過程中，運動員的平均速度是多少？（結果取整數）
②在熱氣球上升過程中．繩索對太空艙向上的總拉力做功的平均功率是多少？
③當熱氣球上升到離地高20km處．若熱氣球總質量（含氣囊里面氣體）m=7.18×104kg，整個熱氣球的體積V=8×105m3 ， 整個熱氣球受到的空氣阻力f=2×103N，不考慮氣流（或風） 對熱氣球的影響．則此高度處的空氣密度是多少？

Answer 1

【答案】解：①從離開地面到安全返回地面的過程中，運動員的總路程為s=2h3=2×39km=78km=7.8×104m； 從離開地面到安全返回地面的過程中，運動員的總時間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，運動員的平均速度為v= ≈7m/s．
②在熱氣球上升階段，繩索對太空艙向上的總拉力做功有三個階段：
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，
在整個上升過程中總拉力的平均功率為P= =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，
∵F浮=ρ空氣gV排 ，
∴空氣的密度為ρ空氣= =0.09kg/m3 ．
答：①從離開地面到安全返回地面的整個過程中，運動員的平均速度是7m/s；
②在熱氣球上升過程中．繩索對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
【解析】①明確上升和下降通過的總路程和對應的總時間，利用公式v= 得到整個升降過程的平均速度；②在熱氣球上升的過程中，繩索對太空艙向上的總拉力做功有三個階段，分別計算三個階段做的功，得到上升過程做的總功；利用上升過程拉力做的總功和所用時間，得到拉力的平均功率；③已知熱氣球的總質量，可以得到總重力；已知熱氣球在此高度做勻速運動，所以受到的浮力、空氣阻力、重力合力為0；已知總重力和空氣阻力，可以得到熱氣球受到的空氣浮力；已知熱氣球的總體積和受到的空氣浮力，利用阿基米德原理變形公式得到空氣的密度．
【考點精析】本題主要考查了二力平衡條件的應用和阿基米德原理的相關知識點，需要掌握二力平衡的條件是：作用在同一物體上的兩個力大小相等，方向相反，且作用在同一直線上，即合力為零．（一物、二力、等大、反向、同直線）；阿基米德原理：浸在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體所受的重力．這個規律叫做阿基米德原理，即 F浮= G排 =ρ液gv排才能正確解答此題．