2019-2020學(xué)年高中物理 第16章 5 反沖運(yùn)動(dòng) 火箭學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、5　反沖運(yùn)動(dòng)　火箭 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解反沖運(yùn)動(dòng)的概念及反沖運(yùn)動(dòng)的一些應(yīng)用.2.知道反沖運(yùn)動(dòng)的原理．(重點(diǎn))3.掌握應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決反沖運(yùn)動(dòng)問題．(重點(diǎn)、難點(diǎn))4.了解火箭的工作原理及決定火箭最終速度大小的因素．(難點(diǎn)) 一、反沖運(yùn)動(dòng) 1．定義 根據(jù)動(dòng)量守恒定律，如果一個(gè)靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩個(gè)部分，一部分向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，另一部分必然向相反的方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象叫做反沖． 2．反沖原理 反沖運(yùn)動(dòng)的基本原理是動(dòng)量守恒定律，如果系統(tǒng)的一部分獲得了某一方向的動(dòng)量，系統(tǒng)的其他部分就會(huì)在這一方向的反方向上獲得同樣大小的動(dòng)量． 3．公式 若系統(tǒng)的初始動(dòng)量為零，則動(dòng)量守

2、恒定律的形式變?yōu)?＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反沖運(yùn)動(dòng)的兩部分的動(dòng)量大小相等、方向相反，而它們的速率與質(zhì)量成反比． 二、火箭 1．原理 火箭的飛行應(yīng)用了反沖的原理，靠噴出氣流的反沖作用來獲得巨大速度． 2．影響火箭獲得速度大小的因素 一是噴氣速度，二是火箭噴出物質(zhì)的質(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比．噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)做反沖運(yùn)動(dòng)的兩部分的動(dòng)量一定大小相等，方向相反． (√) (2)章魚、烏賊的運(yùn)動(dòng)利用了反沖的原理． (√) (3)火箭點(diǎn)火后離開地面向上運(yùn)動(dòng)，是地面對(duì)火箭的反作用力作用的結(jié)果． (

3、×) (4)在沒有空氣的宇宙空間，火箭仍可加速前行． (√) (5)火箭發(fā)射時(shí)，火箭獲得的機(jī)械能來自于燃料燃燒釋放的化學(xué)能． (√) 2．運(yùn)送人造地球衛(wèi)星的火箭開始工作后，火箭做加速運(yùn)動(dòng)的原因是(　　) A．燃料推動(dòng)空氣，空氣反作用力推動(dòng)火箭 B．火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用力將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體向后推出，氣體的反作用力推動(dòng)火箭 C．火箭吸入空氣，然后向后排出，空氣對(duì)火箭的反作用力推動(dòng)火箭 D．火箭燃料燃燒發(fā)熱，加熱周圍空氣，空氣膨脹推動(dòng)火箭 [解析]　火箭工作中，動(dòng)量守恒，當(dāng)向后噴氣時(shí)，則火箭受一向前的推力從而使火箭加速，故只有B正確． [答案]　B 3．關(guān)于反沖運(yùn)動(dòng)的說法中，正確的是(

4、　　) A．拋出物m1的質(zhì)量要小于剩下質(zhì)量m2才能獲得反沖 B．若拋出質(zhì)量m1大于剩下的質(zhì)量m2，則m2的反沖力大于m1所受的力 C．反沖運(yùn)動(dòng)中，牛頓第三定律適用，但牛頓第二定律不適用 D．對(duì)拋出部分和剩余部分都適用于牛頓第二定律 [解析]　反沖運(yùn)動(dòng)的定義為由于系統(tǒng)的一部分物體向某一方向運(yùn)動(dòng)，而使另一部分向相反方向運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫反沖運(yùn)動(dòng)．定義中并沒有確定兩部分物體之間的質(zhì)量關(guān)系，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤．在反沖運(yùn)動(dòng)中，兩部分之間的作用力是一對(duì)作用力與反作用力，由牛頓第三定律可知，它們大小相等，方向相反，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤．在反沖運(yùn)動(dòng)中一部分受到另一部分的作用力產(chǎn)生了該部分的加速度，使該部分的速

5、度逐漸增大，在此過程中對(duì)每一部分牛頓第二定律都成立，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確． [答案]　D 對(duì)反沖運(yùn)動(dòng)的理解 1．反沖運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律 (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)，一般情況下，系統(tǒng)動(dòng)量守恒，或系統(tǒng)在某一方向上動(dòng)量守恒． (2)物體間發(fā)生相互作用時(shí)，有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，所以系統(tǒng)的總動(dòng)能增加，作用力和反作用力都做正功． 2．處理反沖運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意的問題 (1)速度的方向 對(duì)于原來靜止的整體，拋出部分與剩余部分的運(yùn)動(dòng)方向必然相反．在列動(dòng)量守恒方程時(shí)，可任意規(guī)定某一部分的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，則反方向的速度應(yīng)取負(fù)值． (2)相對(duì)速度問題 在反

6、沖運(yùn)動(dòng)中，有時(shí)遇到的速度是兩物體的相對(duì)速度．此類問題中應(yīng)先將相對(duì)速度轉(zhuǎn)換成對(duì)地的速度后，再列動(dòng)量守恒定律方程． (3)變質(zhì)量問題 如在火箭的運(yùn)動(dòng)過程中，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，此時(shí)必須取火箭本身和在相互作用的短時(shí)間內(nèi)噴出的所有氣體為研究對(duì)象，取相互作用的這個(gè)過程為研究過程來進(jìn)行研究． 【例1】　一火箭噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)每次噴出m＝200 g的氣體，氣體離開發(fā)動(dòng)機(jī)噴出時(shí)的速度v＝1 000 m/s(相對(duì)地面)，設(shè)火箭質(zhì)量M＝300 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)每秒噴氣20次．求當(dāng)?shù)谌螝怏w噴出后，火箭的速度多大？ [解析]　法一：噴出氣體的運(yùn)動(dòng)方向與火箭運(yùn)動(dòng)的方向相反，系統(tǒng)動(dòng)量守恒 第一次氣體

7、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. 法二：選取整體為研究對(duì)象，運(yùn)用動(dòng)量守恒定律求解． 設(shè)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(duì)象，據(jù)動(dòng)量守恒定律，得(M－3m)v3－3mv＝0 所以v3＝＝2 m/s. [答案]　2 m/s 　例題1中，若發(fā)動(dòng)機(jī)每次噴出2 kg氣體，氣體離開發(fā)動(dòng)機(jī)噴出時(shí)的速度v＝1 000 m/s改

8、為相對(duì)火箭，則當(dāng)?shù)谝淮螝怏w噴出后，火箭的速度多大？ 【提示】　由動(dòng)量守恒定律(M－m)v1＋m(v1－v)＝0 解得v1＝6.67 m/s. 分析火箭類問題應(yīng)注意的問題 (1)火箭在運(yùn)動(dòng)過程中，隨著燃料的燃燒，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，故在應(yīng)用動(dòng)量守恒定律時(shí)，必須取在同一相互作用時(shí)間內(nèi)的火箭和噴出的氣體為研究對(duì)象．注意反沖前、后各物體質(zhì)量的變化． (2)明確兩部分物體初、末狀態(tài)的速度的參考系是否是同一參考系，如果不是同一參考系要設(shè)法予以調(diào)整，一般情況要轉(zhuǎn)換成對(duì)地球的速度． (3)列方程時(shí)要注意初、末狀態(tài)動(dòng)量的方向．反沖物體速度的方向與原物體的運(yùn)動(dòng)方向是相反的． 人船模型

9、 (1)定義 兩個(gè)原來靜止的物體發(fā)生相互作用時(shí)，若所受外力的矢量和為零，則動(dòng)量守恒．在相互作用的過程中，任一時(shí)刻兩物體的速度大小之比等于質(zhì)量的反比．這樣的問題歸為“人船模型”問題. (2)特點(diǎn) ①兩物體滿足動(dòng)量守恒定律：m11－m22＝0. ②運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：人動(dòng)船動(dòng)，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(zhì)量的反比；人船平均速度(瞬時(shí)速度)比等于它們質(zhì)量的反比，即＝＝. ③應(yīng)用此關(guān)系時(shí)要注意一個(gè)問題：即公式中1、2和x1、x2一般都是相對(duì)地面而言的． 【例2】　質(zhì)量為M的熱氣球吊筐中有一質(zhì)量為m的人，共同靜止在距地面為h的高空中．現(xiàn)從氣球上放下一根質(zhì)量不計(jì)的

10、軟繩，為使此人沿軟繩能安全滑到地面，則軟繩至少有多長(zhǎng)？ [解析]　如圖所示，設(shè)繩長(zhǎng)為L(zhǎng)，人沿軟繩滑至地面的時(shí)間為t，由圖可知，L＝x人＋x球．設(shè)人下滑的平均速度大小為v人，氣球上升的平均速度大小為v球，由動(dòng)量守恒定律得：0＝Mv球－mv人即0＝M－m，0＝Mx球－mx人 又有x人＋x球＝L，x人＝h 聯(lián)立以上各式得：L＝h. [答案]　h 解決“人船模型”應(yīng)注意兩點(diǎn) (1)適用條件： ①系統(tǒng)由兩個(gè)物體組成且相互作用前靜止，系統(tǒng)總動(dòng)量為零； ②在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中至少有一個(gè)方向的動(dòng)量守恒(如水平方向或豎直方向)． (2)畫草圖：解題時(shí)要畫出各物體的位移關(guān)系草圖，

11、找出各長(zhǎng)度間的關(guān)系，注意兩物體的位移是相對(duì)同一參考系的位移． 一只約為180 kg的小船漂浮在靜水中，當(dāng)人從船尾走向船頭時(shí)，小船也發(fā)生了移動(dòng)，忽略水的阻力，以下是某同學(xué)利用有關(guān)物理知識(shí)分析人與船相互作用過程時(shí)所畫出的草圖(如圖所示)，圖中虛線部分為人走到船頭時(shí)的情景，(已知人的質(zhì)量小于小船的質(zhì)量)請(qǐng)用有關(guān)物理知識(shí)判斷下列圖中所描述物理情景正確的是(　　) [解析]　人和船組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，總動(dòng)量為零，人向前走時(shí)，船將向后退．又因?yàn)槿说馁|(zhì)量小于船的質(zhì)量，即人前進(jìn)的距離大于船后退的距離，B正確． [答案]　B 課 堂 小 結(jié) 1.一個(gè)靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩個(gè)部分，

12、一部分向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，另一部分必然向相反的方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象叫反沖. 2.噴氣式飛機(jī)和火箭的飛行應(yīng)用了反沖的原理. 3.日常生活中，有時(shí)要應(yīng)用反沖，有時(shí)要防止反沖，如農(nóng)田、園林的噴灌利用了水的反沖，用槍射擊時(shí)，要防止槍身的反沖. 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1．質(zhì)量相等的甲和乙都靜止在光滑的水平冰面上．現(xiàn)在，其中一人向另一個(gè)人拋出一個(gè)籃球，另一人接球后再拋回．如此反復(fù)進(jìn)行幾次后，甲和乙最后的速率關(guān)系是(　　) A．若甲最先拋球，則一定是v甲>v乙 B．若乙最后接球，則一定是v甲>v乙 C．只有甲先拋球，乙最后接球，才有v甲>v乙 D．無論怎樣拋球和接球，都是v甲>v乙 [解析]　

13、因甲、乙及籃球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，故最終甲、乙以及籃球的動(dòng)量之和必為零．根據(jù)動(dòng)量守恒定律有m1v1＝(m2＋m球)v2，因此最終誰接球誰的速度小，故B正確，ACD錯(cuò)誤． [答案]　B 2．如圖所示，裝有炮彈的火炮總質(zhì)量為m1，炮彈的質(zhì)量為m2，炮彈射出炮口時(shí)對(duì)地的速率為v0，若炮管與水平地面的夾角為θ，則火炮后退的速度大小為(設(shè)水平地面光滑)(　　) A．v0　　B． C．　D． [解析]　炮彈和火炮組成的系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，0＝m2v0cos θ－(m1－m2)v，得v＝，選項(xiàng)C正確． [答案]　C 3．(多選)質(zhì)量為m的人在質(zhì)量為M的小車上從左端走到右端，如圖所示，當(dāng)車與地面摩擦不計(jì)時(shí)，那么(　　) A．人在車上行走，若人相對(duì)車突然停止，則車也突然停止 B．人在車上行走的平均速度越大，則車在地面上移動(dòng)的距離也越大 C．人在車上行走的平均速度越小，則車在地面上移動(dòng)的距離就越大 D．不管人以什么樣的平均速度行走，車在地面上移動(dòng)的距離相同 [解析]　由于地面光滑，則人與車組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒得：mv人＝Mv車，可知A正確；設(shè)車長(zhǎng)為L(zhǎng)，由m(L－x車)＝Mx車得，x車＝L，車在地面上移動(dòng)的位移大小與人的平均速度大小無關(guān)，故D正確，B、C均錯(cuò)誤． [答案]　AD - 7 -