Logo
Logo

Атмосферная задача

A1  0.20 Выразите среднюю мощность $P_0$, получаемую системой Земли и атмосферы, через $F_s$, $a$ и радиус Земли $R_E$.

1 Правильно найдена площадь поперечного сечения Земли
$$A = \pi R_E^2$$
0.10
2 Получен правильный ответ
$$P_0 = (1-a) \pi R_E^2 F_s$$

 

Баллы за данный пункт можно получить и при отсутствии баллов за предыдущий, если ошибка только в площади поперечного сечения Земли.

0.10
A2  0.30 Вычислите равновесную температуру поверхности Земли $T_{g0}$, пренебрегая влиянием атмосферы.

1 Записано уравнение баланса энергии 0.10
2 Правильно записана мощность излучения земли как абсолютно чёрного тела 0.10
3 Получено правильное численное значение
$$T_{g0} \approx 255~К \approx -18^\circ \mbox{C}$$
0.10
A3  0.70 Вычислите равновесную температуру $T_g$ поверхности Земли, если $t_{\text{sw}}=0.9$ и $t_{\text{lw}}=0.2$.

1 Записано уравнение баланса энергии снаружи атмосферы 0.10
2 Записано уравнение баланса энергии между Землёй и атмосферой 0.10
3 Правильно используется $t_{sw}$ 0.10
4 Правильно используется $t_{lw}$ 0.10
5 Получено правильное численное значение
$$T_g = \left(\frac{1+t_{sw}}{1+t_{lw}}\right)^{1/4} T_{g0} \approx 286~К \approx 13^\circ \mbox{C}$$
0.30
6 Получена только формула без численного ответа 0.20
B1  0.50 Рассмотрим простую двухатомную молекулу из двух точечных масс $m_A$ и $m_B$, соединенных пружиной с коэффициентом упругости $k$. Найдите угловую частоту её колебаний $\omega_d$.

1 Записаны верные уравнения движения для масс $A$ и $B$.

 

Оценивается автоматически при правильном ответе.

2 × 0.10
2 Получено уравнение на $x_A - x_B$

 

Оценивается автоматически при правильном ответе.

0.10
3 Получен правильный ответ
$$\omega_d = \sqrt{k \frac{m_A + m_B}{m_A m_B}}$$
0.20
B2  0.20 Согласно квантовой механике, при поглощении фотона возможен переход только между соседними уровнями энергии. Найдите энергию $E_p$ фотона, который может возбудить колебания, описанные в B.1. Эффектом отдачи пренебрегите.

1 Получен ответ
$$E = \hbar \omega_d$$
0.20
2 В ответе использовано $h$ вместо $\hbar$ 0.10
B3  0.20 Найдите сдвиг частоты $f-f_0$ этой спектральной линии, если молекула движется со скоростью $v$ по направлению к источнику излучения. Считайте, что $|v|\ll c$, где $c$ – скорость света.

1 Записано выражение для эффекта Доплера (даже если неправильно) 0.10
2 Получен верный ответ
$$f - f_0 = \frac{v}{c} f_0 \\ \text{либо} \\ f - f_0 = -\frac{v}{c} f_0 \\ \text{либо} \\ f - f_0 = f_0 \left(\sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}-1\right)$$
0.10
B4  0.20 Найдите нормировочный множитель $C$, если скорость $v$ может лежать в диапазоне от $-\infty$ до $\infty$.

1 Использовано условие нормировки (даже если пределы интегрирования 0 и $\infty$ 0.10
2 Получен верный ответ
$$C = \sqrt{\frac{m}{2 \pi k_B T}}$$
0.10
B5  0.30 Найдите с точностью до нормировочного множителя плотность вероятности $p_2(f)$ найти молекулу со спектральной линией $f_0$, смещённой до $f$ из-за теплового движения. Выразите ответ через $f$, $f_0$, $T$, $m$ и физические постоянные.

1 Скорость $v$ выражена через частоту $f$.

 

Пункт оценивается, даже если используется неверная формула для эффекта Доплера, полученная в B3. 

0.10
2 Получен правильный ответ
$$p(f) \propto \exp \left[-\frac{mc^2}{2k_B T} \left(\frac{f-f_0}{f_0}\right)^2\right]$$

 

Пункт не оценивается, если используется неверная формула для эффекта Доплера, полученная в B3.

0.20
B6  0.40 Постройте качественный график зависимости $p_2(f)$ от $f-f_0$ и определите смещение $f^{\star}-f_0$, при котором $p_2(f^{\star})$ составляет долю $1/e$ от своего максимального значения.

1 График имеет единственный экстремум, и он расположен в нуле 0.10
2 График симметричен 0.10
3 Функция стремится к нулю при $f-f_0 \rightarrow \pm \infty$ 0.10
4 Получен правильный ответ
$$f^* - f_0 = f_0 \sqrt{\frac{2 k_B T}{mc^2}}$$
0.10
C1  0.30 Выразите производную $dp/dz$ через $g$ и $\rho(z)$, если атмосфера находится в гидростатическом равновесии.

1 Указано, что сумма сил равна нулю 0.10
2 Правильно записана сила давления сверху и снизу 0.10
3 Получен правильный ответ
$$\frac{dp}{dz} = -\rho(z) g$$
0.10
C2  0.20 Выразите $dp/dz$ через $\mu_{\text{air}}$, $g$, $p(z)$, температуру $T(z)$ на высоте $z$ и физические константы.

1 Записано уравнение состояния идеального газа 0.10
2 Получен правильный ответ
$$\frac{dp}{dz} = -\frac{\mu_{air} p(z)}{RT(z)}g$$
0.10
C3  0.20 Считая атмосферу изотермической ($T(z)=T$), выразите $p(z)$ через $z$, $\mu_{\text{air}}$, $g$, $p_o$, $T$ и физические постоянные.

1 Разделены переменные в дифференциальном уравнении 0.10
2 Получен правильный ответ
$$p(z) = p_0 \exp \left(-\frac{\mu_{air} g}{RT} z\right)$$
0.10
C4  0.60 Для такой порции выразите скорость уменьшения температуры с высотой $\Gamma_a$ через молярную теплоёмкость при постоянном давлении $c_p$, $\mu_{\text{air}}$ и $g$.

1 Записано уравнение адиабаты в любой форме 0.10
2 $dT/dz$ выражено через $dP/dz$ 0.30
3 Получен правильный ответ
$$\Gamma_a = \frac{\mu_{air}}{c_p} g$$
0.20
C5  1.40 Запишите уравнение движения относительно $\delta z$. При каком условии положение равновесия устойчиво? Найдите угловую частоту $\omega$ малых колебаний порции воздуха. Выразите ответы через $T$, $\Gamma$, $g$, $\mu_{\text{air}}$ и $c_p$.

1 Сила тяжести выражена через плотность порции воздуха 0.20
2 Сила Архимеда выражена через плотность окружающего воздуха 0.20
3 Записано верное уравнение движения 0.20
4 Получена или используется связь плотности и температуры
$$\rho \propto \frac{1}{T}$$
0.20
5 Используется малость $\delta z$ 0.20
6 Указано условие устойчивости
$$\mu_{air} g / c_p > \Gamma$$
0.20
7 Получен правильный ответ
$$\omega = \sqrt{\frac{\mu_{air} g / c_p - \Gamma}{T}g}$$
0.20
D1  0.50 Выразите $dp_{s}/dT$ на кривой насыщения водяного пара через удельную теплоту парообразования воды $L$, $\mu_{\text{H}_2\text{O}}$, $p_s$, $T$ и физические постоянные.

1 Правильно записано изменение энтропии
$$\Delta S = \frac{Lm}{T}$$
0.20
2 Объём жидкости считается значительно меньше объёма пара 0.10
3 Получен правильный ответ
$$\frac{dp_s}{dT} = \frac{\mu_{\mbox{H}_2\mbox{O}} L p_s}{RT^2}$$
0.20
D2  0.20 Пусть для некоторой температуры $T_o$ известно давление насыщенного пара $p_s=p_{so}$. Выразите $p_s(T)$ через $p_{so}$, $\mu_{\text{H}_2\text{O}}$, $L$, $T$, $T_o$ и физические постоянные.

1 Разделены переменные в дифференциальном уравнении 0.10
2 Получен правильный ответ
$$p_s(T) = p_{so} \exp \left[ -\frac{\mu_{\mathrm{H_2O}} L}{R} \left( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_o} \right) \right]$$
0.10
D3  2.00 Предположим, что изначально порция воздуха находилась при температуре $T_i=17.0 ^\circ \text{C}$ и давлении $p_i=10^5$ Па. Вычислите температуру $T_l$, при которой в ней начнётся конденсация воды, если $\phi=10^{-2}$. Считайте, что количество воды в рассматриваемой порции остается постоянным во время подъема. Численные значения $L=2460$ кДж/кг и $p_{so}=1.94\times10^3$ Па при $T_i=17.0^{\circ}\text{C}$.

1 С учётом закона Дальтона получено

$$p_w = \phi \frac{\mu_{air}}{\mu_{\mbox{H}_2\mbox{O}}} p$$

 

Если далее используется формула $p_w = \phi p$, максимальный балл за D3 – 1.2.

0.40
2 Получена зависимость $p(T)$ для адиабаты 0.20
3 Указано, что пар начинает конденсироваться, когда становится насыщенным 0.40
4 Получено уравнение, пригодное для численного решения ($T$ с одной стороны) 0.40
5 Предложен метод численного решения уравнения 0.20
6 Получено правильное численное значение
$$T \in [286.4; 287.0]~К = [13.4; 14.0] ^\circ\mbox{С}$$
0.40
E1  0.80 Рассмотрим треугольную призму с показателем преломления $n$ и углом $\varphi$ при вершине. На призму падает луч света под углом $\alpha$, как показано на рис. E.1. Выразите угол отклонения $\delta$ светового луча после прохождения призмы через $\alpha$, $n$ и $\varphi$.

1 Записан закон Снелла для преломления на двух поверхностях 2 × 0.20
2 Используется некоторая связь углов 0.10
3 0.00
4 Правильные расчёты для $\delta$ 0.00
5 Получен правильный ответ для $\delta$
$$\delta = \alpha + \arcsin \left\{ n \sin \left[ \varphi - \arcsin \left( \frac{\sin \alpha}{n} \right) \right] \right\} - \varphi$$
0.30
E2  0.60 Постройте на миллиметровке в листах ответов график зависимости угла отклонения $\delta$ от угла падения $\alpha$ в интервале $[20^\circ,70^\circ]$ с шагом $5^\circ$. Показатель преломления льда равен $n=1.31$.

1 Расчёт $\delta$ для всех $\alpha$ в интервале $[20^\circ,70^\circ]$ с шагом $5^\circ$ 0.20
2 Расчёт $\delta$ для 6 значений $\alpha$ 0.10
3 Точки нанесены на график 0.20
4 График имеет локальный минимум 0.20
E3  0.20 По графику, построенному в предыдущем пункте, определите, под каким углом гало кажется наиболее ярким по отношению к направлению на Солнце.

1 Получено минимальное значение $\delta$
$$\delta_{min} \approx 21.8^\circ$$
0.10
2 Указано, что угол наблюдения гало соответствует минимальному $\delta$ (объяснение не требуется) 0.10