(1)小王同学为了测量积雪的密度,设计了“根据雪地上的脚印深度进行估测”的方法。他采用的方法是:利用一块平整地面上的积雪,用脚竖直向下踩在雪上,形成一个向下凹的脚印。然后通过测量积雪原来的厚度H,用脚踩后在雪上形成脚印的深度h,就可以估测雪的密度。请通过推导得出雪的密度的计算表达式。
(2)大雪过后,会造成路面积雪和积水,危及交通安全。为了尽快消除路面积水,可以通过撒盐和铺设防滑物以及组织扫雪等措施。
盐的浓度(%) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
凝固温度(°C) | 0 | -3 | -7.5 | -12 | -17 |
上表反映的是盐的浓度与凝固温度之间的关系,利用这一表格,请你估计当桥面上积水的厚度达到2 cm,环境温度为-3°C时,撒盐车应在每平方米的冰面上撒多少盐才能去除桥面上的积水?
(3)雪地车在松软的雪地上行驶时,所受阻力主要源于履带或车轮与雪层的挤压。某型号的履带式雪地车的每根履带宽为d,空载时与雪地接触的压强为p0.
(a)当雪地车以速度v在雪地上匀速行驶时,在雪层上造成的雪沟深度为h。试估算此时雪地车克服雪层阻力做功的功率P。
(b)假设雪地车挤压雪层形成的雪沟深度与压强成正比。当雪地车所载货物的重力为雪地车空载时自重的1/4,则仍以功率P在雪地上匀速行驶时的速度为多大?
(1)解析:人脚踩下去后,脚下的雪的密度近似等于冰的密度。设脚的面积为S,则
脚下雪的质量与踩后冰雪的质量相等:
m冰=m雪
原来脚下雪的体积:
V雪=SH
雪的质量:
m雪=ρ雪V雪=ρ雪SH
被踩后,冰雪的体积:
V冰=S(H-h)
冰雪的质量
m冰=ρ冰V冰=ρ冰S(H-h)
显然
ρ雪SH=ρ冰S(H-h)
解之可得:
ρ雪=ρ冰(H-h)/H
(2) 解析:从表格中数据可以看出:-3°C时应撒盐的浓度为5%,故
每平方米的水的质量为:
m=ρ水V水=1000kg/m3×1m2×0.02m=20kg
所需盐的质量为:
m盐=20kg×5%=1kg
(3)解析:
(a)设雪地车在雪地行驶的时间为t,则
t时间内前进的距离:L=vt
压下雪的面积:S=L2d=2vtd
压力做功:W=Fh=pSh=p0×2vtd×h=2p0vtdh
其功率:P=W/t=2p0vtdh/t=2p0vdh
(b)已知重力增加原来的1/4,在受力面积不变时,其压强也增大1/4。
雪地车克服雪地阻力的功率一定,设此时雪地车行驶的速度为v′,则
2p0vdh=2(p0+Po/4)v'dh
解之得:v'=4v/5
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