经典力学的局限性PPT教学课件

率的数学定义式为, γ＝- dT/dz；它系指单位(通常取100m)
高差气温变化速率的负值。如果气温随高度增高而降低，γ 为正值，如果气温随高度增高而增高，γ为负值。
– 大气中的气温层结有四种典型情况，气温随高度的增加而递 减，γ>0，称为正常分布层结，或递减层结；气温随高度的 增加而增加，γ<0，称为气温逆转，简称逆温；气温随铅直 高度的变化等于或近似等于干绝热直减率，γ=γd称为中性 层结；气温随铅直高度增加是不变的，γ=0，称为等温层结。
5.3 湍流扩散的基本理论
• 5.3.1 湍流的基本概念
– 描述湍流运动有两种方法，一种是欧拉法，它在空间划出一个控制体为 对象，考察流体流经它的情形，欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定 点不同时刻的流体运动性质。另一种是拉格朗日法，它在流体运动时，
追随研究一个典型的流体单元。
• 5.3.2 湍流扩散理论
C(x, y, z) A(x)eay2 ebz2
高斯模式的坐标系和基本假设图示
高架连续点源的高斯模式
H Hs
Hs
C C1 C2 H
像源
C1
Q
2 u y z
exp[( y 2
2
2 y
(z H)2
2
2 z
)]
C2
Q
2 u y z
exp[( y 2
2
2 y
(z H)2
2
2 z
)]
P C(x,y,z)
高斯模式的浓度扩散公式汇总
地面源 （H=0） 高架源 （H≠0 ）
无界 (任一点) C(x,y,z)
Q exp[( y2 z2 )]
2 u y z
2
2 y
2
2 z
Q
y2
(z H )2
2 u y z
exp[(
2
2 y
2
2 z
)]
半无界 (任一点)
C(x,y,z)
Q
exp[(
y2
z2
)]
C
Q 2 u y z
大气环境质量评价及影响
预测
5.1 大气层和大气污染 5.2 大气边界层的温度场 5.3 湍流扩散的基本理论 5.4 烟气抬升与地面最大浓度计算 5.5 点源特殊扩散模式 5.6 非点源扩散模式 5.7 大气湍流扩散参数的计算和测量 5.8 大气环境影响评价及预测
5.1 大气层和大气污染
• 1．低层大气的组成
对于强引力情况，需要应用爱因斯坦引力理 论。当天体的实际半径远大于它们的引力 半径时，爱因斯坦引力理论和牛顿引力理 论计算出的力的差异并不很大。
例1：下列轨道中不可能是卫星绕地球运 行的轨道的是（ D ）
卫星是围绕地球的中心绕地球做匀速圆周运 动的
例2.人造地球卫星由于受到大气的阻 力，其运行轨道半径逐渐减小，其圆 轨道上相应的线速度和角速度的变化 情况是 A．线速度变大，角速度变大 B．线速度不变，角速度变小 C．线速度变小，角速度不变 D．线速度变小，角速度变小
第六章 万有引力与航天
第6节 经典力学的局限性
17 世纪牛顿力学构成了体系 . 可以说，这 是物理学第一次伟大的综合 . 牛顿建立了两 个定律，一个是运动定律，一个是万有引力 定律，并发展了变量数学微积分，具有解决 实际问题的能力 . 他开拓了天体力学这一科 学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这
• (3) 对流层的空气密度最大，虽然该层很薄，但却集 中了全部大气质量的3/4并且几乎集中了大气中的全部 水汽；云、雾、雨、雪等大气现象都发生在这层。
• (4) 气象要素水平分布不均匀，特别是冷、暖气团的过 渡带，即所谓锋区。在这里往往有复杂的天气现象发生， 如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。
2．平流层
• 2.干绝热直减率
• 一个质量恒定的空气块，从地面绝热上升 时，将因周围气压的减小而膨胀，一部分 内能用于反抗外压力膨胀，而做了功，因 而它的温度将逐渐下降；
• 反之，当一个质量恒定的空气块从高空绝 热下降时，由于外界气压逐渐增大，外压 力对气块做压缩功，并转化为它的内能， 因而它的温度将逐渐上升。
dp gdz
u 3.02 F 3 (km/ h)
风速廓线
风力计算
u2
u1
(
z2 z1
)
p
大气的 结构和 组成
外逸层 热成层
中间层
平流层
对流层
臭氧
大气层的结构和组成
• 大气属于混气合气体，氮、氧、氩合占总体 积的９９.９６％，余为氖、氦、氨、氙、氢 等微气量气体。 自１１０千米向上原子氧逐渐增加，直到主 要是原子氧的层，再向上为原子氦层（高１ ０００—２４００千米）和气原子氢层（２ ４００千米以上）。
• 2.描述大气的物理量
包地向围表上气柱(地的愈m温(球密稀bma、的度薄mr)、气H整 在 。g帕湿个标)、(、大准P标a气气状准（压圈态大N（的下/气m大总每2压气体升）(a压为重)t；m力大1).）2、的气9巴单3，克(位大b，a有气r愈)毫、在米毫汞巴 组10成11：3a．t干m2洁5=m空7b6气amr、m水Hg汽=、1污01染32物5Pa =
• 臭氧主要分布在１０—５０千米之间的气层 气内，特别集中在２０—３０千米范围内
• 大气按温度高度的变化，可分为对流层、平 流层、中层、热层及外逸层。
1．对流层；
对流层是指由下垫面算起，到平均高度为12km的一层大 气。 对流层的上界高度是随纬度和季节而变化的，在热带 平均为17—18km，温带平均为10一12km，高纬度和两 极地区为8—9km夏季对流层上界高度大于冬季的。对 流层具有下述四个主要特点。
aagg( (T''T' )) T
a g( d ) z
T
T T0 z
T ' T0 d z
• 当γ-γd>0，气块加速运动，大气不稳定；当γ-γd<0，气块 减速运动，大气稳定；当γ-γd=0，大气为中性。
• 因此，大气静力稳定度可以用温度直减率与干绝热直减率之差来
判断，即γ-γd大于、小于和等于零为大气静力稳定度的判据。
（3）已知该行星的自转周期为T， 求它的同步卫星离行星的高度？
(万有引力常量G已知）。
例7. 在天体运动中，将两颗
彼此距离较近，且相互绕行的行星
称为双星．已知两行星质量分别为
M1和M2，它们之间距离为L，求 各自运转半径和角速度为多少？
M1
M2
1 G(M1 M2)
L
L
环境质量评价与系统分析
L L 1 v 2 c
L’是运动体中的观察者测得的长度， L是地面上的观察者测得的长度。
对于高速运动需要应用爱因斯坦的相对论。 当物体的运动速度远小于真空中的光速时， 相对论物理学与经典物理学的结论没有区 别。
对于微观世界，需要应用量子力学。当普朗 克常数可以忽略不计时，量子力学和经典 力学的结论没有区别。
A
3.宇宙飞船绕地心做半径为r的匀速圆
周运动，飞船舱内有一质量为m的人站
在可称体重的台面上，用R表示地球的
半径，g表示地球表面处的重力加速度，
g’表示宇宙飞船所在处的地球引力加
速度，N表示人对秤的压力，下面是一
些说法正确的是（ ）②④：
①g’=0
②
g'
R2 r2
g
③
N Rg r
④ N=0
⑤N
m
R2 r2
• 这种性质可 d用 干CAgp绝热1K直/1减00 m率表示。
5.2.2 大气静力稳定度及其判据
a
a
a=0
v
v
v
(1)
(2)
(3)
处于不同平衡状态的小球。
•
大气的静力稳定度含义可以理解为，如果一空气块受到外部作用， 获得了向上或向下的初始运动速度后，可能发生三种情况：(1) 气 块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(2) 气块逐渐减速并 有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(3)气块做等速直 线运动，称这种大气是中性的。
exp[(
y2
2
2 y
)]{exp[
(
z
H
2
2 z
)
2
]
u y z
2
2 y
2
2 z
exp[ (z H )2 ]}
2
2 z
地面点 C(x,y,0)
Q exp[( y2 )]
u y z
2
2 y
Q
y2
H2
u y z
exp[(
2
2 y
2
2 z
• 对于γ和γd的物理意义应具有较确切认识，γd是以质量衡定的
一块空气团为对象在干绝热条件下沿垂直上升而导出的气温垂直
递减率，是一个由气态方程给定的确定值。γ则是气温的环境层
结, 是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实 际环境状况。
5.2.3 逆温
图5-4 由于太阳辐射引起逆温的生消过程。
• 从对流层顶到离下垫面55km高度的一层称为平流层。 从对流层顶到30 -35km这一层，气温几乎不随高度而 变化，故有同温层之称。从这以上到平流层顶，气温 随高度升高而上升，形成逆温层，故有暖层之称。由 于平流层基本是逆温层，故没有强烈的对流运动；空 气垂直混合微弱，气流平稳。水汽、尘埃都很少，很 少有云出现，大气透明度良好。对流层和平流层交界 处的过渡层称为对流层顶。它约数百米到2km厚；最大 可达4—5km厚。对流层顶的气温在铅直方向的分布呈 等温或逆温型。因此，它的气温直减率与对流层的相 比发生了突变，往往利用这一点作为确定对流层顶高
度的一种依据。
3．中间层
• 从下垫面算起的55—85km高度的一层称为 中间层。气温随高度的增高而降低，大约 高度每增高1km气温降：低1℃；空气有强 烈的对流运动，垂直混合明显；故有高空 对流层之称。
4．热成层 5．散逸层
• 从下垫面算起85—800km左右高度的一层称为热成层或 热层。气温随高度增高而迅速增高，在300km高度上， 气温可达1000℃以上。该层空气在强烈的太阳紫外线 和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，故有电离 层之称。电离层具有反射无线电波的能力。因此它在 无线电通讯上有重要意义。
经典力学的适用范围：
只适用于低速运动，不适用 于高速运动；
只适用于宏观世界，不适用 于微观世界；
只适用于弱引力情况，不适 用于强引力情况。
1905年，出生于德国的美 籍物理学家阿尔伯特·爱 因斯坦（1879──1955） 发表了狭义相对论。这 个理论指出在宇宙中唯 一不变的是光线在真空 中的速度，其它任何事 物──速度、长度、质 量和经过的时间，都随 观察者的参考系（特定 观察）而变化。
• 热成层顶以上的大气层，统称为散逸层。该层气温极 高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高，常可以摆脱 地球引力而散逸到太空中去，故称散逸层。
5.2 大气边界层的温度场
5.2.1 气温的垂直分布
• 1. 气温层结
– 气温沿铅直高度的变化，称气温层结或层结。气温随高度变 化快慢这一特征可用气温垂直递减率来表示。气温垂直递减
g
⑥
N mRg r
例4
如地球自转速度达到使赤 道上的物体“飘”起来，那么， 地球上一天等于______h. （地球半径取6.4×103 Km）
例5.发射地球同步卫星时，先将卫星 发射至近地圆轨道1，然后经点火， 使其沿椭圆轨道2运行来自百度文库最后再次点 火，将卫星送入同步圆轨道3，如图， 则卫星分别在1、2、3轨道上正常运 行时：
– 湍流扩散理论有三种：梯度输送理论，统计扩散理论和相似扩散理论。
5.3.3 点源扩散的高斯模式
• 坐标系 • 高斯模式的四点假设 • 高斯模式的四点假设为：(1)污染物在空间 yoz 平
面中按高斯分布(正态分布)，在 x方向只考虑迁移， 不考虑扩散；(2)在整个空间中风速是均匀、稳定 的，风速大于lm／s；(3)源强是连续均匀的；(4) 在扩散过程中污染物质量是守衡的。 • 无限空间连续点源的高斯模式
1 .物体的质量与运动速度有关
质量要随物体运动速度的增大而增大。 物体的质量与运动速度的关系是
m
m0
1
v c
2
2.时间的相对性——“钟慢效应”
时间的相对性符合以下规律：
t t 1 v 2 c
△t’是运动体中的观察者观察到的时间间隔， △t是地面上的观察者观察到的时间间隔。
3.空间的相对性——“尺缩效应” 空间的相对性符合以下规律：
P
(的2(率2上1加))经卫卫小速过星星于度Q在在点等轨轨轨加于道道道速11卫3上度上上星的。经的在速过速轨率Q道点
23 1
Q
6.某行星的质量是M，半径为R. 在行 星表面上，有一质量为m的物体， （1）行星对它的万有引力多大？ （2）若将该物体在行星表面h处由 静止释放，经多长时间物体落到行 星表面上？
• (1) 气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空每高 差109m气温约平均降低0.65℃。
1．对流层；
• (2) 对流层内有强烈的对流运动。这主要是由于下垫 面受热不均匀及下垫面物性不同所产生的。一般是低纬 度的对流运动较强，高纬度地区的对流运动较弱。由于 对流运动的存在，使高低层之间发生空气质量交换及热 量交换，大气趋于均匀。