雨滴落到地面的速度通常仅为几米每秒,这与雨滴下落过程中受到空气阻力有关。雨滴间无相互作用且雨滴质量不变,重力加速度为
g。
(1)质量为
m的雨滴由静止开始,下落高度
h时速度为
u,求这一过程中克服空气阻力所做的功
W。
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(2)将雨滴看作半径为
r的球体,设其竖直落向地面的过程中所受空气阻力
f=
kr2v2,其中
v是雨滴的速度,
k是比例系数。

a.设雨滴的密度为
ρ,推导雨滴下落趋近的最大速度
vm与半径
r的关系式;
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b.示意图中画出了半径为
r1、
r2(
r1>
r2)的雨滴在空气中无初速下落的
v–t图线,其中_________对应半径为
r1的雨滴(选填①、②);若不计空气阻力,请在图中画出雨滴无初速下落的
v–t图线。
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(3)由于大量气体分子在各方向运动的几率相等,其对静止雨滴的作用力为零。将雨滴简化为垂直于运动方向面积为
S的圆盘,证明:圆盘以速度
v下落时受到的空气阻力
f ∝
v2(提示:设单位体积内空气分子数为
n,空气分子质量为
m0)。
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