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1、第5節(jié) 反沖運動 火箭
1.知道反沖運動的原理,會應用動量守恒定律解決有關反沖運動的問題. 2.知道火箭的原理及其應用. 3.了解航天技術的發(fā)展和宇宙航行.
一、反沖
1.定義:一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩部分,一部分向某個方向運動,另一部分必然向相反的方向運動的現(xiàn)象.
2.反沖現(xiàn)象的應用及防止
(1)應用:農(nóng)田、園林的噴灌裝置是利用反沖使水從噴口噴出時,一邊噴水一邊旋轉.
(2)防止:用槍射擊時,由于槍身的反沖會影響射擊的準確性,所以用步槍射擊時要把槍身抵在肩部,以減小反沖的影響.
二、火箭
1.工作原理:是利用反沖運動,火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣從尾
2、噴管迅速噴出時,使火箭獲得巨大速度.
2.構造:主要有兩大部分:箭體和燃料.
3.特點:箭體和噴出的燃料氣體滿足動量守恒定律.
4.影響火箭獲得速度大小的因素
(1)噴氣速度:現(xiàn)代液體燃料火箭的噴氣速度約為2 000~4 000 m/s.
(2)質量比:指火箭起飛時的質量與火箭除燃料外的箭體質量之比.噴氣速度越大,質量比越大,火箭獲得的速度越大.
判一判 (1)反沖運動可以用動量守恒定律來處理.( )
(2)一切反沖現(xiàn)象都是有益的.( )
(3)章魚、烏賊的運動利用了反沖的原理.( )
(4)火箭點火后離開地面加速向上運動,是地面對火箭的反作用力作用的結果.(
3、)
(5)在沒有空氣的宇宙空間,火箭仍可加速前行.( )
提示:(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√
做一做 一人靜止于完全光滑的冰面上,現(xiàn)欲遠離冰面,下列可行的方法是( )
A.向后踢腿 B.手臂向上擺
C.在冰面上滾動 D.脫下外衣水平拋出
提示:選D.A、B兩項中人與外界無作用,顯然不行;對于C項,由于冰面光滑,也不行;對于D選項,人拋出外衣的過程得到外衣的反作用力,即利用了反沖的原理,從而能遠離冰面.
想一想 兩位同學在公園里劃船.租船時間將到,她們把小船劃向碼頭.當小船離碼頭大約2 m左右時,有一位同學心想:自己在體育課上立定跳遠的成績從
4、未低于2 m,跳到岸上絕對沒有問題.于是她縱身一跳,結果卻掉到了水里(如圖).她為什么不能如她所想的那樣跳到岸上呢?(假設起跳時船已靜止)
提示:這位同學與船組成的系統(tǒng)在不考慮水阻力的情況下,所受合外力為零,在她跳前后遵循動量守恒定律.她在跳出瞬間,船也要向后運動.
對反沖運動的理解和應用
1.反沖運動的三個特點
(1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運動.
(2)反沖運動中,相互作用的內(nèi)力一般情況下遠大于外力或在某一方向上內(nèi)力遠大于外力,所以可以用動量守恒定律或在某一方向上應用動量守恒定律來處理.
(3)反沖運動中,由于有其他形式的能轉化為機械能, 所以系統(tǒng)的總動能
5、增加.
2.討論反沖運動應注意的三個問題
(1)速度的方向性:對于原來靜止的整體,當被拋出部分具有速度時,剩余部分的反沖是相對于拋出部分來說的,兩者運動方向必然相反.在列動量守恒方程時,可任意規(guī)定某一部分的運動方向為正方向,則反方向的這一部分的速度就要取負值.
(2)速度的相對性:反沖運動的問題中,有時遇到的速度是相互作用的兩物體的相對速度.但是動量守恒定律中要求速度是對同一慣性參考系的速度(通常為對地的速度).因此應先將相對速度轉換成對地的速度,再列動量守恒定律方程.
(3)變質量問題:在反沖運動中還常遇到變質量物體的運動,如在火箭的運動過程中,隨著燃料的消耗,火箭本身的質量不斷減小
6、,此時必須取火箭本身和在相互作用的短時間內(nèi)噴出的所有氣體為研究對象,取相互作用的這個過程為研究過程來進行研究.
一個質量為m的物體從高處自由下落,當物體下落h時突然炸裂成兩塊,其中質量為m1的一塊恰好能沿豎直方向回到開始下落的位置,求剛炸裂時另一塊的速度v2.
[思路點撥] 以炸裂時分裂成的兩塊m1和(m-m1)組成的系統(tǒng)為研究對象,在炸裂的這一極短的時間內(nèi),系統(tǒng)受到的合外力即重力并不為零,但炸裂時的爆炸力遠大于系統(tǒng)的重力,系統(tǒng)在豎直方向的動量可認為近似守恒.
[解析] 取豎直向下的方向為正方向,炸裂前的兩部分是一個整體,物體的動量為p=mv=m.
剛炸裂結束時向上運動并返回出發(fā)點的
7、一塊m1,其速度大小與炸裂前相同,動量方向與規(guī)定的正方向相反.
p1=m1v1=-m1
由動量守恒定律有mv=m1v1+(m-m1)v2
代入解得:v2=
由于v2>0,說明炸裂后另一塊的運動方向豎直向下.
[答案] 方向豎直向下
爆炸只發(fā)生在一瞬間,也只有在這一瞬間,系統(tǒng)的內(nèi)力才遠遠大于系統(tǒng)所受的合外力,總動量近似守恒,如果爆炸結束,巨大的內(nèi)力已經(jīng)不存在了,系統(tǒng)的總動量不再守恒,明確這一研究階段的始、末狀態(tài),是求解這類問題的關鍵.
1.如圖所示,進行太空行走的宇航員A和B的質量分別為80 kg和100 kg,他們攜手遠離空間站,相對空間站的速度為0.1 m/s.A將
8、B向空間站方向輕推后,A的速度變?yōu)?.2 m/s,求此時B的速度大小和方向.
解析:輕推過程中,A、B系統(tǒng)的動量守恒,以空間站為參考系,規(guī)定遠離空間站的方向為正方向,則v0=0.1 m/s,vA=0.2 m/s.根據(jù)動量守恒定律(mA+mB)v0=mAvA+mBvB,代入數(shù)值解得vB=0.02 m/s,方向為遠離空間站方向.
答案:0.02 m/s 方向為遠離空間站方向
對火箭原理的理解和應用
1.火箭燃料燃盡時火箭獲得的最大速度由噴氣速度v和質量比(火箭起飛時的質量與火箭除燃料外的箭體質量之比)兩個因素決定.
2.火箭噴氣屬于反沖類問題,是動量守恒定律的重要應用.在火箭運動的
9、過程中,隨著燃料的消耗,火箭本身的質量不斷減小,對于這一類的問題,可選取火箭本身和在相互作用的時間內(nèi)噴出的全部氣體為研究對象,取相互作用的整個過程為研究過程,運用動量守恒的觀點解決問題.
一火箭噴氣發(fā)動機每次噴出m=200 g的氣體,氣體噴出時的速度v=1 000 m/s.設火箭質量M=300 kg,發(fā)動機每秒鐘噴氣20次.
(1)當?shù)谌螄姵鰵怏w后,火箭的速度為多大?
(2)運動第1 s末,火箭的速度為多大?
[思路點撥] 火箭噴氣屬于反沖現(xiàn)象,火箭和氣體系統(tǒng)動量守恒.運用動量守恒定律求解時,注意系統(tǒng)內(nèi)部質量變化關系.以每噴出一次氣體列一次方程,找出對應規(guī)律分步求解.
[解析]
10、法一:(1)噴出氣體的運動方向與火箭的運動方向相反,氣體和火箭系統(tǒng)動量守恒.
第一次氣體噴出后火箭速度為v1,有
(M-m)v1-mv=0,所以v1=
第二次氣體噴出后,火箭速度為v2,有
(M-2m)v2-mv=(M-m)v1,所以v2=
第三次氣體噴出后,火箭速度為v3,有
(M-3m)v3-mv=(M-2m)v2
所以v3==m/s≈2 m/s.
(2)由上面推導可知,第n次氣體噴出后,火箭速度為vn,有(M-nm)vn-mv=[M-(n-1)m]vn-1
所以vn=
因為每秒噴氣20次,所以1 s末火箭速度為
v20== m/s≈13.5 m/s.
法二:選取整
11、體為研究對象,運用動量守恒定律求解.
(1)設噴出三次氣體后火箭的速度為v3,以火箭和噴出的三次氣體為研究對象,根據(jù)動量守恒定律,得
(M-3m)v3-3mv=0
所以v3=≈2 m/s.
(2)以火箭和噴出的20次氣體為研究對象,根據(jù)動量守恒定律,有(M-20m)v20-20mv=0
所以v20=≈13.5 m/s.
[答案] (1)2 m/s (2)13.5 m/s
分析火箭類問題應注意的三個問題
(1)火箭在運動過程中,隨著燃料的燃燒,火箭本身的質量不斷減小,故在應用動量守恒定律時,必須取在同一相互作用時間內(nèi)的火箭和噴出的氣體為研究對象.注意反沖前、后各物體質量的變化
12、.
(2)明確兩部分物體初、末狀態(tài)的速度的參考系是否為同一參考系,如果不是同一參考系要設法予以調(diào)整,一般情況要轉換成對地的速度.
(3)列方程時要注意初、末狀態(tài)動量的方向.反沖物體速度的方向與原物體的運動方向是相同的.
2.將靜置在地面上,質量為M(含燃料)的火箭模型點火升空,在極短時間內(nèi)以相對地面的速度v0豎直向下噴出質量為m的熾熱氣體.忽略噴氣過程重力和空氣阻力的影響,則噴氣結束時火箭模型獲得的速度大小是 ( )
A. v0 B. v0
C. v0 D. v0
解析:選D.應用動量守恒定律解決本題,注意火箭模型質量的變化.取向下為正方向,由動量守恒定律可得:
13、
0=mv0-(M-m)v′,故v′=,選項D正確.
“人船模型”及其應用
1.人船模型:兩個原來靜止的物體發(fā)生相互作用時,若所受外力的矢量和為零,則動量守恒.在相互作用的過程中,任一時刻兩物體的速度大小之比等于質量的反比.這樣的問題歸為“人船模型”問題.
2.人船模型的特點
(1)兩物體滿足動量守恒定律:m1v1-m2v2=0.
(2)運動特點:人動船動,人停船停,人快船快,人慢船慢,人左船右;人船位移比等于它們質量的反比;人船平均速度(瞬時速度)比等于它們質量的反比,即==.應用此關系時要注意一個問題:即公式v1、v2和x一般都是相對地面而言的.
如圖所示,長為l,質量為m
14、的小船停在靜水中,一個質量為m′的人站在船頭,若不計水的阻力,當人從船頭走到船尾的過程中,小船對地的位移是多少?
[思路點撥] 人船平均動量的矢量和為零,用位移替代平均速度,建立位移關系求解.
[解析] 人和小船組成的系統(tǒng)在水平方向不受外力,動量守恒.假設某一時刻小船和人對地的速度分別為v1、v2,由于原來處于靜止狀態(tài),因此
0=mv1-m′v2,即m′v2=mv1
由于相對運動過程中的任意時刻,人和小船的速度都滿足上述關系,故他們在這一過程中平均速率也滿足這一關系,即m′ 2=m1,等式兩邊同乘運動的時間t,得
m′ 2t=m1t,即m′x2=mx1
又因x1+x2=l,因此有x1=.
[答案]
用“人船模型”公式解這類變速直線運動的位移且不涉及速度的問題時,是非常方便的.但在應用時,一定要注意:相互作用的兩個物體必須滿足動量守恒和原來都靜止這兩個條件,解題的關鍵是正確找出位移間的關系.
3.載人氣球原靜止于高h的高空,氣球質量為M,人的質量為m,若人沿繩梯滑至地面,則繩梯至少為多長?
解析:設繩長為l,人沿繩梯滑至地面的時間為t,由圖可看出,氣球對地移動的平均速度為,人對地移動的平均速度為-(以向上為正方向).由動量守恒定律,有
-=0
解得l=h.
答案:h.
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