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物理 高校生

(3)の問題で浮力の向きが図のようになる理由を教えてください!

物理2次特編3回目 時間:20~30分 1) Po 図のような熱気球がある。風船部分の体積をV, 全体の 質量を Mとする(風船内の空気の質量は含まない)。風船内 の温度は大気の温度とは無関係に自由に制御できる一方, 風船部分には空気の出入りロがあり,風船内の圧力は常に 大気と同じ値に維持される。風船内部の空気を加熱すると, 大気と比べて密度が低くなるため,熱気球は遅力を得る。 地表付近の大気は, 絶対温度To, 圧力 P。であった。気体 定数をR, 空気のモル質量(1mol 当たりの質量)をm, 重 カ加速度の大きさをgとする。以下では, 風船部分の体積Vは一定であり,風船部分以 外からの浮力はないものとする。また, 気球の高さは十分小さく,風船内の空気の圧力は 一様であるとみなしてよい。空気は理想気体として取り扱うことができるものとして,次 の問いに答えよ。 V M M To, Po ア 2 n 初め,風船内の空気は大気と同じ温度であり, 熱気球は浮上しておらず, 地面に接して いた。 Po= (1) 風船内の空気の質量を To,Po, m, R, Vを用いて表せ。 (2) 地表付近の大気の密度 PoをTo, Po, m, Rを用いて表せ。 (3) 風船内の空気の温度をゆっくりと上げていくと, ある温度で熱気球が地面から離れ た。このときの風船内の空気の密度 p」を Po, V, Mを用いて表せ。また,このとき の風船内の空気の温度T,を Po, P1, T,を用いて表せ。 (4) 風船内の空気の温度をどれほど上げることができたとしても,熱気球の質量が大き すぎれば浮上しない。すなわち, 熱気球が浮上することができるとき, その質量 Mは ある値 M。より小さくならなくてはならない。M。を Po, V, gのうち必要なものを用 いて表せ。 (5) To=300 K, Po=1000 hPa, V=2000 m° のとき, M,を計算せよ。 必要なら g=9.8 m/s?, m=29 g/mol, R=8.3 J/(mol-K) を用いよ。有効数字1桁まで求め, 解答には単位も付すこと。 c3) Pit 次に,浮上し始める温度T, が一T。となるように熱気球の質量Mを調整した。 (6) このときの熱気球の質量 MをTo, Po, m, R, Vのうち必要なものを用いて表せ。 その後,風船内の空気の温度をT,よりわずかに上げ, 熱気球が浮上した後すぐに空気 の温度をT,に戻した。すると, 熱気球は地表から h(>0)の高さまで上昇し, 静止した。 大気の圧力と温度は高所では減少することが知られている。地表付近では, 地表からの高 さxの関数として大気の圧力 P(x) と温度T(x) を以下のように定数αおよびβを用いて 近似的に表すことができる。 P(x) =P1- T。 号) T(x) =To-Bx 上式が常に成りたつものとして次の問いに答えよ。 (7) 高さ*での大気の密度をT。 Po m Ra のるキ ン の ロ」

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物理 高校生

良問の風61(4)です。3枚目のピンクのマーカーを引いた部分についてなのですが、(2)の時とは内部の圧力が違うのに、等圧変化と考えて良いのですか?

61* なめらかに動く質量M[kg]のピストン を備えた断面積Sim°]の容器がある。こ れらは断熱材で作られていて, ヒーターに 電流を流すことにより,,容器内の気体を加 熱することができる。/ヒーターの体積, 熱 容量は小さく,無視できる。容器は鉛直に 保たれていて,内部には単原子分子の理想 気体がん[mol)入っている。気体定数をR [J/mol·K), 大気圧を(P.(N/m'], 重力加 速度をgm/s°]とする。 (1) 最初,ヒーターに電流を流さない状態では, 図1のように,ピスト ンの下面は容器の底から距離1[m]の位置にあった。このときの気体 の温度はどれだけか。 HP ピストン ヒーター 図1 図2 次に,ヒーターで加熱したら, ピストンは最初の位置より 上昇 した。気体の温度は(1)の何倍になっているか。また, ヒーターで発生 したジュール熱はどれだけか。 (3)(1)の状態で, 容器の上下を反対にして鈴直にし,気体の温度を(1)の 温度と同じに保ったら, 図2のように,ビストンの上面は容器の底か ら1の位置で静止した。ビストンの質量M を他の量で表せ。 ※ この状態で, ヒーターにより, (2)におけるジュール熱のだけの 執を加えたら、ピストンの上面は容益の底からどれだけの距離のとこ ろで静止するか。 (名城大)

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物理 高校生

熱気球 問4を圧力一定のときρT=一定を使って計算したのですが、2枚目の左辺は外部の気体でしょうか??それとも1番初めの熱など何も加えていない時の内部の気体でしょうか?? 問題を解いてる時は急いでいたのでとりあえず外部=内部にしたんですが、内部の気体を温めたら圧力変わる... 続きを読む

しいものを,次の0~Oのうちから一つ選べ。P= 問4 外気の絶対温度をT。とし、気球内部の空気の絶対温度はこれより 4Tだ け高いものとする。このとき、気球内部の空気の密度p、を表す式として正 模試 第1回 10 23 小さ 0 4T 調べてみた。 T。 Po カ学 とおくと,AB間 う,2より衝突の の等比数列をな 新突距離も同様。 T-4T Po T。 の T。 T-4T なく空に浮かぶはずだと考えた。 T。+4T Po T。 T。 オ+41 To+4T の To-4T Po @ T-4T T,+4T P 明5 外気の大気圧を1013 hPa. 外気温を20℃とし、気球内部の空気の温度は ぶつか か気より7℃高いとしたとき、気球内部の空気の密度と外気の密度の差は もの ィとするとき.気球が浮かび上がるための pの条件式として正しいもの。 2.8 × 10- kg/m°となる。気球の球皮の単位面積あたりの質量は、ポリエチ 下の0~Oのうちから一つ選べ。 ぶた 22 「Tた20~ レンフィルムの単位面積当たりの質量2.6 g/m' に等しいとするとき、この PBelo13h 条件の下で気球が浮かび上がるための気球の最小の手径として最も適当な値 To PT:PT 41F2 たっ7% を,次の0~のうちから一つ選べ。 24 m PT.=P(tT) ふな-. TotaT. / 15T Po 0 0.28 2 0.32 0.37 0 0.43 P 6 2.8 6 3.2 0 37 4.3 A-A=2.8x10*k4(^! 1.4 T8< 0 3く26(0 3 -6 図 36 40 0 AS-- 30 2)S Po- 30 PS o 192 4r 30 30 40 0 So- S Po- TY PS Po- 4元Y く 035 8Y10 3.14 TY (256 く4 3.396 20 20 - 21 - - 20 - 3.9 KO 240

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