2019年北京高考物理24題引發的思考

趙蕓赫 馬宇翰

(1. 首都師范大學附屬中學,北京 100048; 2. 北京計算科學研究中心,北京 100193)

2019年北京市高考物理試題的第24題描述了生活中一個常見的現象——雨滴在空氣阻力和重力的共同作用下運動直至勻速下落的過程．該題在考察學生對能量守恒、牛頓第二定律的基礎上,進一步考察了學生對動量定理與分子運動論的理解和運用．在第三問中,學生需要在將雨滴簡化成垂直于運動方向面積為S的圓盤基礎上,建立物理模型證明空氣阻力f正比于下落速度v的平方．

在高考后,筆者注意到周圍不少老師、學生都對題目提出了質疑．大家發現,用基于分子運動論的碰撞模型結合沖量定理,推得雨滴運動速度v在遠低于空氣分子熱運動速度u時(這也是真實情境中的條件,雨滴下落速度一般為幾米每秒,而室溫下空氣中分子熱運動速度在400 m/s以上),所受空氣阻力是正比于運動速度v的一次方而不是平方的[1,2]:

F=2Snm0uv=2ρaSuv.

這里n是單位體積分子數,m0是單個分子質量,S是物體在氣流方向的橫截面積,ρa=nm0是氣體的密度．而高考標準答案在忽略氣體分子無規則熱運動的前提下,用流體模型得到了空氣阻力和運動速度平方成正比的結論．人大附中胡繼超老師和陳曦老師很快注意到這一問題,他們指出利用碰撞模型推導出空氣阻力正比于雨滴運動速度平方這一結論的條件之一是假設了雨滴下落速度遠大于氣體分子的熱運動速率[1]．為了解決雨滴所受空氣阻力到底是與速度一次方還是二次方成正比這一“矛盾”,胡老師等在他們的文中參考了流體力學中的奧辛近似阻力公式[3]

后,提出了一個包含物體運動速度一次、二次項的空氣阻力表達式，但在其模型適用范圍內，也只能得到雨滴受到阻力正比于其運動速度的結論．通過查閱文獻可知[4-8],在分析雨滴以及氣流中小球等物體運動所受的阻力時,被討論得最多的即為粘滯阻力和壓差阻力．那么,在日常生活中雨滴下落受到的阻力到底滿足一次律還是二次律?前述碰撞模型和流體中兩種阻力模型是否適用于真實的物理情境?為了解答這些問題,接下來本文從實際情境中雨滴的收尾速度的角度出發對上述問題進行了討論．同時,本文還分析了碰撞模型在低速范圍內所得出阻力與速度一次方成正比的結果失效的原因．

1 不同阻力模型預言的雨滴收尾速度

對于這樣一個真實的物理情境,研究者可以從不同的角度建立模型．但是所建立的模型是否真的能解釋這一現象,需要從實驗的角度來加以驗證．當然,進行定量的實驗研究相對復雜,判斷所運用的阻力模型是否適用的最簡單的方式,就是比較生活中已有的客觀事實和模型預言結果的一致性．首先將這一問題所涉及的一些物理量的數值列在下方.

· 雨滴的半徑是毫米量級,從0.5 mm-2 mm不等,密度ρw=1000 kg/m3.

· 雨滴下落的收尾速度在幾米每秒這個范圍內.

· 大氣中氣體分子熱運動速度約為400 m/s-500 m/s.

· 空氣的粘度約為η=1.8×10-5Ns/m2,密度ρa=1.29 kg/m3.

· 重力常數9.8 m/s2.

在流體力學中,阻力的存在形式較多,如黏滯阻力、摩擦阻力、壓差阻力等等[3]．這些不同的阻力形式在物體在流場中運動所受的阻力中會有不同占比,這取決于問題情境所處的雷諾數區域．例如,在小雷諾數區域Re?1,流場的粘性是阻礙物體運動的主要原因,此時黏滯阻力會其主要作用,如溶液中的布朗粒子所受的阻力就主要是黏滯阻力．而在較高雷諾數的區域,壓差阻力和摩擦阻力會起主導作用,隨著雷諾數的進一步增加,流場出現湍流,阻力形式變得很復雜而不存在簡單的規律可以描述．

為了比較前文所述碰撞模型和流體中兩種阻力模型的異同,將待檢驗的幾種阻力模型對速度的依賴關系,以及它們所預言的雨滴下落速度(收尾速度)列入表1．

表1 不同阻力模型預言的雨滴收尾速度

其中CD是阻力系數,對于球形物體約為0.43[4].在這里,雨滴的收尾速度即是其在大氣中運動末期在阻力和重力平衡下的勻速運動,由

mg=F(v).

給出.

從表1可以很直觀地看出,黏滯阻力模型所預測的雨滴下落速度遠高于雨滴下落的真實速度范圍,而碰撞模型所給出的速度又過?。挥袎翰钭枇λo出的速度與實際雨滴下落速度的范圍匹配．在胡老師等人的文章中,他們認為“在雨滴速度足夠小時,空氣對雨滴的粘性占主導作用,阻力正比于速度;而雨滴速度足夠大時,阻力才與速度平方成正比”．這里的速度的足夠大與足夠小,在他們文中是相比于氣體熱運動速度而言的[1]．然而,對于在流體中運動物體所受阻力的來源,其判別應該是以雷諾數

這一無量綱參數為標準的．從上式可以看出,除了與相對運動速度有關,雷諾數還與流體密度、粘度,物體尺寸相關．因此,單純從速度大小討論雨滴受到何種阻力,是不嚴謹的．事實上,在雨滴下落過程中對應的雷諾數為Re≈1000遠遠超過了斯托克斯公式所適用的雷諾數Re≈1的區域,因此可以忽略雨滴所受黏滯阻力．同時也可以發現,高考標準答案所給出的結果

F∝nm0v2=ρaSv2.

與壓差阻力的表達式形式上一致,僅差一個無量綱系數1/2CD～0.22.這表明高考標準答案所給出的結果可以給出與實際值匹配的雨滴下落速度范圍．

2 碰撞模型失效的原因

那么,為什么利用碰撞模型給出的結果是反常的呢?接下來從氣流能量的角度來進行分析． 考慮板面和氣體之間的相對運動,對板而言氣體以恒定速度吹來．對于氣體分子而言,其速度可以寫作整體流動速度和無規則熱運動速度的和,即

則氣流的總能量為

而在碰撞模型中,運動速度為ui的氣體分子與板迎面碰撞后,速度反向并變為ui+2v.并且這一過程被假設發生在氣體分子的平均自由程內,即不考慮氣體分子的相互碰撞．這就導致了氣體速率分布的變化,從而出現了表征氣體內能與流動動能耦合的uiv項的出現．這只有對于十分稀薄的氣體是成立的,而在空氣中下落雨滴這一情境中的氣體環境并不滿足這一條件． 在真實情境中,氣體分子碰撞板后會很快的與其它氣體分子碰撞從而繼續變為無規運動．因而在考慮具有定向運動速率的氣體分子與板碰撞時,就不能忽略分子間的碰撞了．因此,用碰撞模型來解決雨滴在空氣中受到阻力這一實際問題會變得很復雜,此時流體模型的便捷性就顯示出來了．

在氣流沖擊圓盤的過程中,其整體流速在沖擊板面后變為0接著沿兩側繞行至圓盤后方,這意味著氣體受到來自圓盤的力F為

其中ΔM=ρaSΔl是在單位長度內和撞擊到盤面的氣流總質量,代入得到

這里假設圓盤運動緩慢,因而氣流的密度可視為均勻．注意到,這一結論的導出不需要假設物體和氣體的相對運動速度遠大于氣體分子的熱運動速率．在氣流流過圓盤的真實過程中,由于邊緣效應和圓盤后方的氣流渦旋存在,會在上述力中引入一個與雷諾數相關的阻力系數CD,最終得到圓盤給氣流的作用力大小,即圓盤受到來自氣流的阻力大小為

這就是前述的壓差阻力,也可以從伯努利原理推導得出[9]．

3 結論

綜上所述,對本文的討論給出如下總結.

物體在流體中以速度v運動時受到的阻力滿足F(v)∝v還是F(v)∝v2由雷諾數Re決定,即由物體的尺寸,所處流體環境的密度和粘度共同決定．在Re?1的區域,如在重力作用下在糖漿中下落的小球,流體的黏滯阻力起主要作用．而在雷諾數較大時,比如生活中常見物體所受空氣阻力,均與速度二次方成正比,主要由壓差阻力貢獻;在氣體平均自由程不夠大時(非稀薄氣體),用碰撞模型考慮物體在氣體中受到的阻力是失效的;2019年北京市高考物理24題用流體模型證明空氣阻力滿足速度平方律是合理的,不需要假設板的運動遠大于氣體分子熱運動速度．只需要說明“當板在氣體中運動時,不考慮氣體內能的變化”即可．