稿件来源:高途
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必修1
第三章 相互作用
3.5 力的分解
受力分析
从高空下落的雨滴所受空气阻力随下落速度的增大而增大,经过一段距离后将匀速下落,这个速度称为此雨滴下落的终极速度。模拟雨滴在无风时下落的实验中,将一质量为$m$、半径为$r$的小球从足够高的空中由静止释放。已知球形物体体积不大时所受的空气阻力$f$与速度$v$和球半径$r$成正比,即$f=kvr$,$k$是比例系数,重力加速度为$g$,则该小球达到终极速度前的加速度逐渐 (选填“增大”或“减小”),终极速度为 (用$m$、$g$、$k$、$r$表示),若有两个雨滴(一大一小)从同一大气层开始下落,接近地面时 (填“大”或“小”)雨滴速度小。
对小球受力分析,由牛顿第二定律,可得$mg − kvr=ma$,可知该小球达到终极速度前,随着小球速度的增加,小球的加速度逐渐减小;当加速度为零时,小球速度最大,根据受力平衡可得$mg=kv_{\rm m}r$,解得终极速度为$v_{\text{m}}=\dfrac{mg}{kr}$,根据$v_{\text{m}}=\dfrac{mg}{kr}$
又$m=\rho \cdot \dfrac{4}{3}\pi r^{3}$,联立可得$v_{\text{m}}=\dfrac{4\pi\rho gr^{2}}{3k}$,可知接近地面时小雨滴速度小。
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