應用物理知識認知沙塵暴

摘 要：本文通過例題指出應用中學階段物理知識沙塵暴問題研究策略，并對以沙塵暴為背景的題目進行了詳盡的討論，引導學生建立科學思維能力與方法。

關鍵詞：沙塵暴 了解與認識 研究策略

沙塵暴是人類過度向自然索取的惡果。對沙塵暴現象進行提煉與簡化，就能夠得到一些適合中學物理的模型，從而使這一惡劣氣候得以認知。通過對沙塵暴問題的研究，既能加強對物理知識的鞏固與理解，培養應用物理知識解決實際問題的能力，又能樹立環保意識，使科學探究能力得到加強，形成科學態度與科學精神。

一、用光的波動觀點研究沙塵暴的顏色形成

例1、為迎接2008年奧運會，北京正在做各方面準備。對惡劣氣候必須有應對措施。屆時沙塵暴若出現將會給比賽帶來不小的麻煩。沙塵暴是由于土地沙化引起的一種惡劣天氣現象，發生較嚴重的沙塵暴時，天變暗發黃，這是由于（?搖?搖）。

A、只有頻率較大的一部分光才能到達地面。

B、只有能量較大的光子才能到達地面。

C、只有波長較長的一部分光才能到達地面。

D、只有波長較短的一部分光才能到達地面。

解析:這時由于光線被擋住，沙塵的尺寸與可見光中波長較長的光的波長差不多甚至還小，所以波長較長的光發生衍射，而波長較短的被擋住了，光波的平均頻率接近于黃色的頻率，所以變暗發黃。答案C。

點評：掌握光發生明現衍射現象的條件是解題基礎，知道光的顏色決定于頻率是解題的關鍵。

二、用平衡條件研究浮塵形成

例2、我國北方遭遇嚴重的沙塵暴天氣。所謂沙塵暴可簡化為如下情景：快速向上刮起的大風將大量沙塵顆粒揚起后懸浮在空中。可認為這時風對沙塵的作用力與沙塵的重力平衡。已知風對沙塵顆粒作用力的大小近似表達為：F= ρ πr v ，式中ρ空為空氣的密度，r為沙塵顆粒的半徑（沙塵顆粒可近似看成球體，且體積V= πr ），v為風速，如果沙塵顆粒的密度ρ =3×10 Kg/m ，沙塵顆粒的半徑r=2.5×10-4m，地面的空氣密度ρ空隨高度h的變化關系為每升高1km，空氣密度減小0.2kg/m ，（g取10m/s ）

（1）要形成沙塵暴現象，地面的風速至少為多少？

（2）當地面風速為8m/s時，沙塵暴的最大高度為多少？

解析:(1)在地面上風對沙塵的作用力與沙塵的重力平衡:F=mg

(2)最大高度為h，則高為h處的空氣的密度為:

代入數據可得:h=4.7km

點評：構筑沙塵模型是解題基礎，應用平衡條件就能突破認知障礙。

三、用統計觀點與流體模型研究沙塵和風力的利用

例3、由于生存環境被破壞，地表裸露，大片土地沙漠化，加上干旱少雨，我國北方地區春天常會出現揚塵天氣。據環保部門測定，在北京地區出現嚴重沙塵暴時，最大風速可達到12m/s，同時由于大量微粒在空中懸浮，天空呈橙黃色，能見度只有50m左右。

(1)根據光的散射規律可知，當空中懸浮微粒直徑d與光波長λ之比：d/λ=0.1時，該波長的光散射最強，在空氣潔凈時，主要是大氣中的氣體分子在散射日光，其中藍光被散射最強，在空氣潔凈時，以天空呈藍色；發生沙塵暴時，由于是懸浮懸浮粒子對光的散射，使得天空橙黃色，已知橙黃色光的波長為6.0×10-7m，請計算懸浮微粒的平均直徑為多大?

(2)若某次沙塵暴使空氣中懸浮微粒的最高濃度達到5.8×10-6kg/m3，這時1cm3空氣中約含有多少懸浮微粒?

(3)在一般的揚塵天氣，風力發電機帶可以正常工作，已知風力發電機將空氣的動能轉化為電能的效率為20%，空氣密度為1.29m3，某風力發電機的有效受風面積為4.0m2，此風力發電機在風速為10m/s時輸出電功率為多大?

解析：(1)根據題意可知d/λ=0.1，由此可知：d=0.1λ=6.0×10 m。

(2)每m 中的微粒的總體積:V= =2.9×10 m ，

(3)在Δt時間內沖向風車的空氣的質量是:Δm=ρSvΔt，

這些風具有的動能:E = Δmv ，

風力發電機的輸出功率為:P= ，

由以上三式可得:P= ηρSv =516W。

點評：應用統計處理進行估算與流體模型的建立是解題的基礎，正確應用數學知識與相關知識含義就突破了問題的障礙。

四、研究沙塵暴原理的鞏固練習

1、氣象衛星用紅外遙感器拍攝去圖照片，這是因為紅外線的?搖?搖?搖本領強，容易透過云霧煙塵，云圖的黑白程度是利用了紅外線的?搖?搖?搖性質，刑偵上用紫外線拍攝指紋照片是因為紫外線?搖?搖?搖?搖?搖?搖。

2、人們受飛鳥在空中飛翔的啟發而發明了飛機，飛鳥扇動翅膀得向上的舉力可表示為F=kSv ，式中S為翅膀的面積，v為飛鳥的飛行速度，k為比例常量，一個質量為100g、翅膀面積為S 的燕子，其最小的飛行速度為10m/s，假如飛機飛行時獲得的舉力與飛鳥飛行時獲得的向上的舉力有同樣的規律，一架質量為3600kg的飛機，機翼的面積為燕子翅膀的1000倍，那么此飛機的起飛速度多大？

3、已知地球的半徑為R，大氣層厚度為h（可認為大氣層厚h遠小于R），空氣的平均摩爾質量為M，阿伏加德羅常數為N ，大氣壓強為P ，則地球大氣層的空氣分子數為?搖?搖?搖，分子間的平均間距為?搖?搖?搖。

4、風沿水平方向以速度v吹向一直徑為d的風車葉輪上，高空氣的密度為?搖?搖，假設風的動能有50%轉化為風車的動能，風車帶動水車將水提高h的高度，效率為80%，求單位時間最多可升的水的質量。

答案：1、衍射 熱效應 波長短，分辨率高2、60m/s 3、 4、

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”