你的当前位置:网站首页 / 课程百科 / 知识点 / Alevel知识点 / Alevel物理:终端速度Terminal Velocity讲解

Alevel物理:终端速度Terminal Velocity讲解

本文出处:alevel培训 发布时间:2019-01-02 17:36:20 字体大小: A+ A-

ALevel物理AS阶段,流体(Fluid)相关章节中很重要的一个内容就是Terminal Velocity(终端速度),今天我们来详细讲解一下这一物理过程,并阐述一下该类型题的解题思路。

 

终端速度(Terminal Velocity):当对物体的抵抗力与其速度同时增大时,物体将稳定在一定的速度上,此时的速度即为终端速度。这一物理过程适用于物体在空气中、液体中收到重力的作用下落,例如跳伞、物体下沉等。


alevel物理1.jpg


我们以跳伞为例,在跳伞员刚从飞机上跳下,还未打开降落伞的过程中,跳伞员同时受到重力和空气阻力两个力的作用,而此时空气阻力小于重力,根据牛顿第二定律(ΣF=ma),此时加速度向下,跳伞员向下做加速运动。

物体在空气中运动时,其受到的阻力是随速度的增加而增加的,所以当跳伞员向下加速的过程中,阻力会越来越大,在下落一段时间后,阻力会不断增加直至和重力的大小相等。此时物体的合力为零,其加速度为零,也即意味着速度不会改变,此时的速度即为终端速度(Terminal Velocity),跳伞员会保持这个速度匀速的下落直至降落伞张开。


alevel物理2.jpg


当降落伞张开后,由于降落伞的横截面积非常大,其受到的空气阻力急速增加,瞬间超过了重力,此时跳伞员受到的合力向上,做减速运动。但由于阻力会随着速度变小而变小,所以其减速的效果会越来越弱,直至阻力再次等于重力,跳伞员第二次达到了受力平衡状态,继续以新的Terminal Velocity匀速下落直至落地。

 

ALevel的相关物理题目中,经常考察的一类习题是求物体在流体(Fluid)中下落的Terminal Velocity,而我们要建立的恒等关系就是在物体达到Terminal Velocity时,合力必为零,根据物体的受力建立一个受力平衡方程即可。

这一类问题不会考察不规则物体或是高速运动的物体的下落,因为其物理过程更加复杂,而是将物体看做是一个半径为r的均匀小球(Particle)在流体中缓慢下落,根据Stokes’ law,物体在流体中收到的阻力为:

F = 6ρrηv  

(ρ为小球密度,r为小球半径,η为流体的粘度系数,v为下落速度)

此时小球在流体中还会受到浮力,根据阿基米德定律,小球受到的浮力和排开液体的重力相等。小球受到的浮力和阻力都和重力相反方向,建立一个力学方程,让重力等于阻力+浮力,即可求出小球的Terminal Velocity。具体过程如下:

alevel物理3.jpg


ALevel阶段所考察的流体力学知识模块比较基础,大部分集中在Paper 2中考察;而现实生活中流体力学有非常多且重要的应用,包括汽车、高铁、飞机等运载工具的设计,都需要用到这一学科的知识,如果在大学中学习机械、工程等学科的话,会接触到更多流体力学的知识。

本章来源:alevel培训

课程类别:alevel课程介绍

本章标题:Alevel物理:终端速度Terminal Velocity讲解

文本地址:https://www.ajiaguojiedu.com/article_query/321

了解更多:Alevel物理 Alevel |A+国际教育 |

版权所有 转载时请您以链接形式注明来源!