Logo
Logo

Физика в горах

1.1  1.00 Найдите и вычислите массу $M$ атмосферы Земли.

1 Из условия равновесия получено соотношение:
$$p_0S=Mg{.}
$$
0.40
2 Записана формула для площади поверхности сферы:
$$S=4\pi{R}^2_E{.}
$$
0.20
3 Определена масса $M$ атмосферы Земли (по $0{.}2$ балла за выражение и численное значение):
$$M=\cfrac{4\pi p_0R^2_E}{g}\approx 5{.}32\cdot 10^{18}~\text{кг}{.}
$$
2 × 0.20
1.2  1.00 Найдите и вычислите давление воздуха $p_H$ на высоте $H=1500~м$ над поверхностью Земли.

1 Из условия гидростатического равновесия получено:
$$dp=-\rho gdh{.}
$$
0.20
2 Записано уравнение Менделеева–Клапейрона:
$$\rho=\cfrac{\mu_{air}p}{RT_0}{.}
$$
0.20
3 Получена зависимость $p(h)$:
$$p(h)=p_0\exp\left(-\cfrac{\mu_{air}g}{RT_0}h\right){.}
$$
0.40
4 Определено численное значение $p(H)$:
$$p(H)\approx 85{.}0~\text{кПа}{.}
$$
0.20
1.3  0.60 Оцените количество теплоты $\delta Q$, необходимое для нагревания атмосферы на $\Delta T=1~К$.

1 Записано выражение для $\delta{Q}$:
$$\delta{Q}=\cfrac{M}{\mu_{air}}C_p\Delta{T}=\cfrac{M}{\mu_{air}}\cfrac{\gamma}{\gamma-1}\Delta{T}{.}
$$
0.20
2 Указано или следует из решения, что для воздуха $\gamma=7/5$, либо $C_p=7R/2$. 0.20
3 Определено численное значение $\delta{Q}$:
$$\delta{Q}\approx 5{.}33\cdot 10^{21}~\text{Дж}{.}
$$
0.20
1.4  0.60 Найдите и вычислите интервал времени $\tau$, который должно светить Солнце, чтобы сообщить Земле количество теплоты $\delta Q$.

1 Записано выражение для $\delta{Q}$:
$$\delta{Q}=\alpha\pi{R}^2_E\tau{.}
$$
0.20
2 Получено выражение для $\tau$:
$$\tau=\cfrac{M}{\alpha\pi{R}^2_E\mu_{air}}\cfrac{\gamma R\Delta{T}}{\gamma-1}{.}
$$
0.20
3 Определено численное значение $\tau$:
$$\tau\approx 30{.}3\cdot 10^3~\text{c}{.}
$$
0.20
2.1  1.20 Найдите и вычислите температуру воздуха $T_H$ на высоте $H=1500~м$ над поверхностью Земли.

1 Записано уравнение Менделеева–Клапейрона:
$$\rho=\cfrac{\mu_{air}p}{RT}{.}
$$
0.20
2 M1 Записано уравнение Пуассона:
$$pT^{\gamma/(\gamma-1)}=const{.}
$$
0.20
3 M1 Получено выражение:
$$\cfrac{dT}{dh}=-\cfrac{(\gamma-1)\mu_{air}g}{\gamma R}=-\beta=const{.}
$$
0.40
4 M2 Записан закон сохранения энергии для линии тока:
$$p_0dV_0-p(h)dV(h)=dmgh+\cfrac{C_Vdm(T(h)-T_0)}{\mu_{air}}{.}
$$
0.40
5 M2 Получено выражение:
$$\cfrac{Rdm(T_0-T(h))}{\mu_{air}}=dmgh+\cfrac{C_Vdm(T(h)-T_0)}{\mu_{air}}{.}
$$
0.20
6 Получена зависимость $T(h)$:
$$T(h)=T_0-\cfrac{(\gamma-1)\mu_{air}gh}{\gamma R}=T_0-\beta h{.}
$$
0.20
7 Получено численное значение $T(H)$:
$$T(H)\approx 278~\text{К}{.}
$$
0.20
2.2  0.40 Найдите и вычислите давление воздуха $p_H$ на высоте $H=1500~м$ над поверхностью Земли.

1 Получена зависимость $p(h)$:
$$p(h)=p_0\left(\cfrac{T_0}{T(h)}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}=p_0\left(\cfrac{T_0}{T_0-\beta h}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}{.}
$$
0.20
2 Получено численное значение $p(H)$:
$$p(H)\approx 84{.}6~\text{кПа}{.}
$$
0.20
2.3  0.80 Оцените разницу высот $\Delta H_{atm}$ тропосферы Земли в дневное и ночное время, если колебание температуры у поверхности за это время составляет $\Delta T_{dn}=20~К$.

1 Записано выражение:
$$T(h)=T_0-\beta h=const{.}
$$
0.40
2 Получено выражение для $\Delta{H}_{atm}$:
$$\Delta{H}_{atm}=\cfrac{\gamma R\Delta{T}_{dn}}{(\gamma-1)\mu_{air}g}{.}
$$
0.20
3 Определено численное значение $\Delta{H}_{atm}$:
$$\Delta{H}_{atm}\approx 2{.}05~\text{км}{.}
$$
0.20
2.4  0.60 Найдите и вычислите температуру кипения воды на высоте $H=1500~м$.

1 Записано приближение для $p(T)$:
$$p(T)\approx p_1+\cfrac{p_2-p_1}{T_2-T_1}(T-T_1){.}
$$
0.40
2 Определено численное значение $T_{boil}$:
$$T_{boil}\approx 368~\text{к}
$$
0.20
2.5  0.80 Найдите и вычислите высоту $h_0$, на которой альпинист заметил появление снежного покрова на горе.

1 Записано выражение для температуры $T_{melt}$ снежного покрова:
$$T_{melt}=273~\text{К}{.}
$$
0.20
2 Получено выражение для $h_0$:
$$h_0=\cfrac{\gamma R(T-T_{melt})}{(\gamma-1)\mu_{air}g}{.}
$$
0.40
3 Определено численное значение $h_0$:
$$h_0\approx 2{.}05~\text{км}{.}
$$
0.20
2.6  0.40 Найдите и вычислите высоту $H_0$ горы, на которую совершает восхождение альпинист.

1 Получено выражение для $H_0$:
$$H_0=\cfrac{\gamma R(T_0-T_{melt})}{(\gamma-1)\mu_{air}g}{.}
$$
0.20
2 Определено численное значение $H_0$:
$$H_0\approx 3{.}78~\text{км}{.}
$$
0.20
2.7  2.00 Найдите и вычислите высоту $H^{'}$.

1 Записано условие гидростатического равновесия водяного пара:
$$dp_{vap}=-\rho_{vap}gdh{.}
$$
0.20
2 Записано уравнение Менделеева–Клапейрона для водяного пара:
$$\rho_{vap}=\cfrac{\mu_{H_2O}p_{vap}}{RT}{.}
$$
0.20
3 Записано выражение для давления водяного пара на поверхности Земли:
$$p_{vap}(0)=\varphi p_{vap0}{.}
$$
0.20
4 Получена связь $p_{vap}$ и $T$:
$$\ln\cfrac{p_{vap}}{p_{vap0}}=\ln\varphi+\cfrac{\mu_{H_2O}g}{\beta R}\ln\cfrac{T}{T_0}{.}
$$
0.60
5 Получено выражение для $T(H')$:
$$T(H')=T_0\exp\left(\cfrac{a-\ln\varphi}{\cfrac{\mu_{H_2Og}}{\beta R}-b}\right){.}
$$
0.20
6 Получено выражение для $H'$:
$$H'=\cfrac{T_0-T(H')}{\beta}=\cfrac{T_0}{\beta}\left(1-\exp\left(\cfrac{a-\ln\varphi}{\cfrac{\mu_{H_2O}}{\beta R}-b}\right)\right){.}
$$
0.40
7 Определено численное значение $H'$:
$$H'\approx 2{.}55~\text{км}{.}
$$
0.20
2.8  0.60 Найдите и вычислите минимальную влажность воздуха $\varphi_{\min}$ у подножья горы, при которой на ней еще будет наблюдаться туман.

1 Указано, что туман отсутствует на всей горе при условии:
$$H'=H_0{.}
$$
0.20
2 Получено выражение для $\varphi_{max}$:
$$\varphi_{max}=\exp a\cdot\left(1-\cfrac{\beta H_0}{T_0}\right)^{b-\mu_{H_2O}g/(\beta R)}{.}
$$
0.20
3 Определено численное значение $\varphi_{max}$:
$$\varphi_{max}\approx 0{.}119{.}
$$
0.20