НОФ 2010, III кръг (национален), 8. клас — Задача 2. Балони с хелий
Олимпиада по физика 2010, Национален кръг, Плевен — Тема за 8 клас · 1 май 2010 г. · 10 т.
Условие
Балони от здрава неразтеглива гумирана материя с форма на кълбо и с различни радиуси се пълнят с хелий. Плътността на хелия вътре в балоните е , плътността на въздуха е . Гумираната материя има дебелина и плътност .
а) Какъв трябва да е радиусът на балона за да бъде в равновесие, когато е оставен във въздуха. Намерете формула за [2 т.] и го изчислете [0,5 т.].
б) Изчислете масата на гумираната материя на балона с радиус . [1 т.]
в) Какво ще се случва с балоните с радиуси, по-големи от и тези с радиуси, по-малки от , когато се оставят във въздуха. [0,5 т.]
г) Нека на балон с радиус като се окачи допълнителна тежест с маса , да е в равновесие. Намерете формула за зависимостта на масата от радиуса [1,5 т.]. Приведете тази формула във вид, в който фигурират отношенията и [1 т.]. Изчислете отношението , ако отношението е съответно равно на 2, 3, 4 и 5 [1 т.]. (Архимедовата сила, действаща на допълнителната тежест, се пренебрегва)
д) Нека балон с радиус () и без допълнителна тежест е изпуснат във въздуха. Известно е, че плътността на въздуха зависи от височината по начин, представен на фигурата. Приемете, че обемът на балона е постоянен без значение на каква височина се намира. Намерете на каква височина ще се издигне балонът, ако ? Първо намерете формула за плътността на въздуха на тази височина и след това използвайте графиката. [2,5 т.]

Решение
а) В равновесие силите, действащи на балона, се уравновесяват. Силите са две – сила на тежестта и Архимедова сила. Следователно [1 т.]. След преобразуване и съкращаване се получава [1 т.]. След заместване с дадените стойности . [0,5 т.]
б) Масата на гумираната материя на балона с радиус е [0,5 т.] . [0,5 т.]
в) Тъй като сумата на двете сили ще е равна на
при , силата ще е насочена надолу и балонът ще пада, а при ще се издига [0,5 т.].
г) Нека когато на балон с радиус като се окачи допълнителна тежест с маса , той да е в равновесие. Следователно [0,5 т.]. След преобразуване
[1 т.]
[1 т.].
От последната формула лесно се смята, че за отношение , съответно равно на 2, 3, 4 и 5, отношението съответно е равно на 4, 18, 48 и 100. [1 т.]
д) Изпуснатият балон с радиус и без допълнителна тежест ще достигне такава височина, че там действащите му сили да се уравновесяват. Нека с бележим плътността на въздуха на височина . Тогава . След съкращения и заместване на с резултата от подусловие а), [1 т.]. Замествайки с дадените стойности [0,5 т.]. Използвайки дадената графика, определяме, че . [1 т.]
Полезна математика:
- Площ на сфера с радиус :
- Обем на кълбо с радиус :
- Обем на тънък сфиричен слой с радиус и дебелина ():
- Обем на цилиндър с радиус и височина :
Оригинал в Архива: NOF3_2010_8problems.pdf · официални решения: NOF3_2010_8solutions.pdf