《2025年海淀单元测试AB卷八年级物理下册人教版》

五、计算题(16分)
21. [科技前沿](16分)(2024·贵阳息烽一模)我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇,从海拔4.3 km 的科考营地顺利升空,经过3 h持续上升突破海拔9 km高度.如图1所示,“极目一号”Ⅲ型浮空艇总质量约为2600 kg,体积约为9000 m³,其内部结构简图如图2所示,内部分为上下两个气囊,上层主气囊充满氦气(氦气密度小于艇外空气密度),中间隔开,下层副气囊充空气.随着高度升高,通过排出下面部分的空气,调节整个浮空艇的气压差在安全范围内.通过与地面锚泊设备连接的缆绳进行升空和驻空,通过搭载的各种探测仪器展开垂直观测,助力揭示青藏高原环境变化机理,构建保障“亚洲水塔”水安全的“极目”监测预警系统.(g取10 N/kg)

(1)“极目一号”Ⅲ型浮空艇上升的平均速度是多少千米每小时?
(2)浮空艇在营地升空时所受重力大小为多少牛?
(3)若9 km高空空气密度约为0.5 kg/m³,“极目一号”Ⅲ型浮空艇此时受到的浮力为多大?为了保持浮空艇静止驻空,地面锚泊设备连接的缆绳应给它施加一个多大的拉力?
(4)“极目一号”Ⅲ型浮空艇从4.3 km上升至9 km 的过程中所受浮力大小如何变化?请从物理学角度分析其变化的原因.(假设浮空艇上升过程中体积不变)

答案： 解：
(1)“极目一号”Ⅲ型浮空艇上升的平均速度$v=\frac{s}{t}=\frac{9\ km}{3\ h}=3\ km/h$.
(2)浮空艇在营地升空时所受重力 G = mg = 2600 kg×10 N/kg = $2.6\times10^{4}\ N$.
(3)若 9 km 高空气密度约为$0.5\ kg/m^{3}$，“极目一号”Ⅲ型浮空艇此时受到的浮力$F_{浮}=\rho_{空气}gV = 0.5\ kg/m^{3}\times10\ N/kg\times9000\ m^{3}=4.5\times10^{4}\ N$，为了保持浮空艇静止驻空，地面锚泊设备连接的缆绳施加的拉力 F 和浮空艇所受重力的合力大小等于浮力的大小，即 F + G = $F_{浮}$，则 F = $F_{浮}-G=4.5\times10^{4}\ N - 2.6\times10^{4}\ N = 1.9\times10^{4}\ N$.
(4)因为空气密度随高度的增加而减小，浮空艇上升过程中体积不变，根据阿基米德原理，浮空艇从 4.3 km 上升至 9 km 的过程中，浮力逐渐变小.