应用物理知识认知沙尘暴

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摘 要：本文通过例题指出应用中学阶段物理知识沙尘暴问题研究策略，并对以沙尘暴为背景的题目进行了详尽的讨论，引导学生建立科学思维能力与方法。

关键词：沙尘暴 了解与认识 研究策略

沙尘暴是人类过度向自然索取的恶果。对沙尘暴现象进行提炼与简化，就能够得到一些适合中学物理的模型，从而使这一恶劣气候得以认知。通过对沙尘暴问题的研究，既能加强对物理知识的巩固与理解，培养应用物理知识解决实际问题的能力，又能树立环保意识，使科学探究能力得到加强，形成科学态度与科学精神。

一、用光的波动观点研究沙尘暴的颜色形成

例1、为迎接2008年奥运会，北京正在做各方面准备。对恶劣气候必须有应对措施。届时沙尘暴若出现将会给比赛带来不小的麻烦。沙尘暴是由于土地沙化引起的一种恶劣天气现象，发生较严重的沙尘暴时，天变暗发黄，这是由于（?摇?摇）。

A、只有频率较大的一部分光才能到达地面。

B、只有能量较大的光子才能到达地面。

C、只有波长较长的一部分光才能到达地面。

D、只有波长较短的一部分光才能到达地面。

解析:这时由于光线被挡住,沙尘的尺寸与可见光中波长较长的光的波长差不多甚至还小,所以波长较长的光发生衍射,而波长较短的被挡住了,光波的平均频率接近于黄色的频率,所以变暗发黄。答案C。

点评：掌握光发生明现衍射现象的条件是解题基础，知道光的颜色决定于频率是解题的关键。

二、用平衡条件研究浮尘形成

例2、我国北方遭遇严重的沙尘暴天气。所谓沙尘暴可简化为如下情景：快速向上刮起的大风将大量沙尘颗粒扬起后悬浮在空中。可认为这时风对沙尘的作用力与沙尘的重力平衡。已知风对沙尘颗粒作用力的大小近似表达为：F= ρ πr v ，式中ρ空为空气的密度，r为沙尘颗粒的半径（沙尘颗粒可近似看成球体，且体积V= πr ），v为风速，如果沙尘颗粒的密度ρ =3×10 Kg/m ，沙尘颗粒的半径r=2.5×10-4m，地面的空气密度ρ空随高度h的变化关系为每升高1km，空气密度减小0.2kg/m ，（g取10m/s ）

（1）要形成沙尘暴现象，地面的风速至少为多少？

（2）当地面风速为8m/s时，沙尘暴的最大高度为多少？

解析:(1)在地面上风对沙尘的作用力与沙尘的重力平衡:F=mg

(2)最大高度为h,则高为h处的空气的密度为:

代入数据可得:h=4.7km

点评：构筑沙尘模型是解题基础，应用平衡条件就能突破认知障碍。

三、用统计观点与流体模型研究沙尘和风力的利用

例3、由于生存环境被破坏，地表，大片土地沙漠化，加上干旱少雨，我国北方地区春天常会出现扬尘天气。据环保部门测定，在北京地区出现严重沙尘暴时，最大风速可达到12m/s，同时由于大量微粒在空中悬浮，天空呈橙黄色，能见度只有50m左右。

(1)根据光的散射规律可知，当空中悬浮微粒直径d与光波长λ之比：d/λ=0.1时,该波长的光散射最强,在空气洁净时,主要是大气中的气体分子在散射日光,其中蓝光被散射最强,在空气洁净时,以天空呈蓝色；发生沙尘暴时,由于是悬浮悬浮粒子对光的散射,使得天空橙黄色,已知橙黄色光的波长为6.0×10-7m,请计算悬浮微粒的平均直径为多大?

(2)若某次沙尘暴使空气中悬浮微粒的最高浓度达到5.8×10-6kg/m3,这时1cm3空气中约含有多少悬浮微粒?

(3)在一般的扬尘天气,风力发电机带可以正常工作,已知风力发电机将空气的动能转化为电能的效率为20%,空气密度为1.29m3,某风力发电机的有效受风面积为4.0m2,此风力发电机在风速为10m/s时输出电功率为多大?

解析：(1)根据题意可知d/λ=0.1，由此可知：d=0.1λ=6.0×10 m。

(2)每m 中的微粒的总体积:V= =2.9×10 m ，

(3)在Δt时间内冲向风车的空气的质量是:Δm=ρSvΔt，

这些风具有的动能:E = Δmv ，

风力发电机的输出功率为:P= ,

由以上三式可得:P= ηρSv =516W。

点评：应用统计处理进行估算与流体模型的建立是解题的基础，正确应用数学知识与相关知识含义就突破了问题的障碍。

四、研究沙尘暴原理的巩固练习

1、气象卫星用红外遥感器拍摄去图照片，这是因为红外线的?摇?摇?摇本领强，容易透过云雾烟尘，云图的黑白程度是利用了红外线的?摇?摇?摇性质，刑侦上用紫外线拍摄指纹照片是因为紫外线?摇?摇?摇?摇?摇?摇。

2、人们受飞鸟在空中飞翔的启发而发明了飞机，飞鸟扇动翅膀得向上的举力可表示为F=kSv ，式中S为翅膀的面积，v为飞鸟的飞行速度，k为比例常量，一个质量为100g、翅膀面积为S 的燕子，其最小的飞行速度为10m/s，假如飞机飞行时获得的举力与飞鸟飞行时获得的向上的举力有同样的规律，一架质量为3600kg的飞机，机翼的面积为燕子翅膀的1000倍，那么此飞机的起飞速度多大？

3、已知地球的半径为R，大气层厚度为h（可认为大气层厚h远小于R）,空气的平均摩尔质量为M,阿伏加德罗常数为N ,大气压强为P ,则地球大气层的空气分子数为?摇?摇?摇,分子间的平均间距为?摇?摇?摇。

4、风沿水平方向以速度v吹向一直径为d的风车叶轮上,高空气的密度为?摇?摇,假设风的动能有50%转化为风车的动能,风车带动水车将水提高h的高度,效率为80%,求单位时间最多可升的水的质量。

答案：1、衍射 热效应 波长短，分辨率高2、60m/s 3、 4、

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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