（浙江專版）2018年高中物理 第十六章 動(dòng)量守恒定律 第5節(jié) 反沖運(yùn)動(dòng) 火箭學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第5節(jié) 反沖運(yùn)動(dòng)__火箭 反沖運(yùn)動(dòng) [探新知·基礎(chǔ)練] 1．反沖定義 一個(gè)靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩部分，一部分向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，另一部分必然向相反的方向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。 2．特點(diǎn) (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)。 (2)反沖運(yùn)動(dòng)中，相互作用力一般較大，通?？梢杂脛?dòng)量守恒定律來處理。 3．反沖現(xiàn)象的應(yīng)用及防止 (1)應(yīng)用：農(nóng)田、園林的噴灌裝置是利用反沖使水從噴口噴出時(shí)，一邊噴水一邊旋轉(zhuǎn)。 (2)防止：用槍射擊時(shí)，由于槍身的反沖會(huì)影響射擊的準(zhǔn)確性，所以用步槍射擊時(shí)要把槍身抵在肩部，以減少反沖的影響。 [辨是非](對(duì)的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”)

2、1．反沖運(yùn)動(dòng)中若物體分成兩部分，這兩部分的動(dòng)量一定相同。(×) 2．做反沖運(yùn)動(dòng)的這部分物體滿足動(dòng)量守恒定律。(√) [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 1．反沖運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)。 (2)反沖運(yùn)動(dòng)中，由于有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，所以系統(tǒng)的總動(dòng)能增加。 2．討論反沖運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意的問題 (1)適合用動(dòng)量守恒定律解決的三種反沖運(yùn)動(dòng)問題： ①系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，且滿足動(dòng)量守恒的條件； ②系統(tǒng)雖然受到外力作用，但內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外力，外力可以忽略； ③系統(tǒng)所受外力之和不為零，系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒，但系統(tǒng)在某一方向上不受外力或外力在該方向上的分力之和為零，

3、即系統(tǒng)的動(dòng)量在該方向上的分量保持不變。 (2)速度的方向性問題： 對(duì)于原來靜止的整體，拋出具有一定速度的整體的一部分后，剩余部分的反沖是相對(duì)于拋出部分來說的，兩者運(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?，則反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值。 (3)速度的相對(duì)問題： 反沖運(yùn)動(dòng)的問題中，有時(shí)遇到的速度是相互作用的兩物體的相對(duì)速度。由于動(dòng)量守恒定律中要求速度為對(duì)同一參考系的速度，通常為對(duì)地的速度。因此應(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。 (4)變質(zhì)量問題： 在反沖運(yùn)動(dòng)中還常遇到變質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)，如在火箭的運(yùn)動(dòng)過程中，隨著燃料的消耗，火箭

4、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。 [試身手] 1．假定冰面是光滑的，某人站在冰凍河面的中央，他想到達(dá)岸邊，則可行的辦法是(　　) A．步行 B．揮動(dòng)雙臂 C．在冰面上滾動(dòng) D．脫去外衣拋向岸的反方向 解析：選D　因?yàn)楸婀饣?，無(wú)法行走和滾動(dòng)，由動(dòng)量守恒定律知，只有脫去外衣拋向岸的反方向，獲得反沖速度才能到達(dá)岸邊。D正確。 火箭 [探新知·基礎(chǔ)練] 工作原理 火箭的工作原理是反沖運(yùn)動(dòng)，其反沖過程動(dòng)量守恒。它是靠向后噴出的氣流的反沖作用而獲得向前速度的。當(dāng)火箭推進(jìn)劑燃燒時(shí)，

5、從尾部噴出的氣體具有很大的動(dòng)量，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，火箭獲得大小相等、方向相反的動(dòng)量。當(dāng)推進(jìn)劑燃盡時(shí)，火箭即以獲得的速度沿著預(yù)定的空間軌道飛行。當(dāng)然，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，研究時(shí)應(yīng)該取火箭本身和相互作用的時(shí)間內(nèi)噴出的氣體為研究對(duì)象。 [辨是非](對(duì)的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”) 1．火箭是通過燃料推空氣，空氣反過來對(duì)火箭產(chǎn)生推力完成工作的。(×) 2．噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大。(√) [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 1．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)火箭的質(zhì)量比：指火箭起飛時(shí)的

6、質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(zhì)量之比。決定于火箭的結(jié)構(gòu)和材料?，F(xiàn)代火箭能達(dá)到的質(zhì)量比一般不超過10。噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大。 2．用途 主要用來發(fā)射探測(cè)儀器、常規(guī)彈頭或核彈頭、人造衛(wèi)星或宇宙飛船，是宇宙航行的運(yùn)載工具。 [試身手] 2．(福建高考)將靜置在地面上，質(zhì)量為M(含燃料)的火箭模型點(diǎn)火升空，在極短時(shí)間內(nèi)以相對(duì)地面的速度v0豎直向下噴出質(zhì)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(jié)束時(shí)火箭模型獲得的速度大小是(　　) A.v0　　　　　　　　 B.v0 C.v0 D.v0 解析：選D　由動(dòng)量守恒定律有mv0＝(M－m)v，可得火箭獲得的

7、速率為v＝v0，D正確。 反沖的理解與應(yīng)用 反沖運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是系統(tǒng)內(nèi)力作用的結(jié)果，兩個(gè)相互作用的物體A、B組成的系統(tǒng)，A對(duì)B的作用力使B獲得某一方向的動(dòng)量，B對(duì)A的反作用力使A獲得相反方向的動(dòng)量，從而使A沿著與B相反的方向做反沖運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用動(dòng)量守恒定律分析反沖運(yùn)動(dòng)的有關(guān)特性時(shí)，必須注意的問題： (1)剩余部分的反沖是相對(duì)于拋出部分來說，兩者運(yùn)動(dòng)方向必然相反，做數(shù)值計(jì)算時(shí)，注意規(guī)定某一部分的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较颍瑒t反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值，列表達(dá)式時(shí)，也可以把負(fù)號(hào)包含在相關(guān)字母中；也可直接列出兩部分動(dòng)量大小相等的方程。 (2)把物體中的一部分拋出和剩余部分產(chǎn)生反沖都需要經(jīng)

8、歷一個(gè)過程，直到部分物體離開整體的瞬間，兩者的速度差達(dá)到最大。因此，若題中已知拋擲物體的速度是相對(duì)于剩余部分而言，應(yīng)理解為相對(duì)于“拋出”這一瞬間。 (3)反沖運(yùn)動(dòng)中存在相互作用的物體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，已知條件中常常告知物體的相對(duì)速度，在應(yīng)用動(dòng)量守恒定律時(shí)，應(yīng)將相對(duì)速度轉(zhuǎn)換為絕對(duì)速度(一般為對(duì)地速度)。 [典例1]　小車上裝有一桶水，靜止在光滑水平地面上，如圖所示，桶的前、后、底及側(cè)面各裝有一個(gè)閥門，分別為S1、S2、S3、S4(圖中未全畫出)，要使小車向前運(yùn)動(dòng)，可采用的方法是(　　) A．打開閥門S1 B．打開閥門S2 C．打開閥門S3 D．打開閥門S4 [解析]選B　根據(jù)水和

9、小車組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，原來系統(tǒng)動(dòng)量為零，由0＝m水v水＋m車v車知，小車的運(yùn)動(dòng)方向與水的運(yùn)動(dòng)方向相反，故水應(yīng)向后噴出，選項(xiàng)B正確。 人船模型 [典例2]　如圖所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為M的小船停在靜水中，一個(gè)質(zhì)量為m的人站立在船頭，若不計(jì)水的阻力，當(dāng)人從船頭走到船尾的過程中，船和人相對(duì)地面的位移各是多少？ [解析]　選人和船組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，由于在人從船頭走到船尾的過程中，系統(tǒng)動(dòng)量守恒，人起步前系統(tǒng)的總動(dòng)量為0。當(dāng)人加速前進(jìn)時(shí)，船加速后退，人停下時(shí)，船也停下來。設(shè)某一時(shí)刻人的速度為vm，船的速度為vM，根據(jù)動(dòng)量守恒定律有： mvm－MvM＝0 即＝ 因?yàn)樵谌藦拇^走到船尾的

10、整個(gè)過程中，每一時(shí)刻系統(tǒng)都滿足動(dòng)量守恒定律，所以每一時(shí)刻人的速度與船的速度之比都與它們的質(zhì)量之比成反比，從而可以判斷，在人從船頭走到船尾的過程中，人的位移xm與船的位移xM之比，也應(yīng)與它們質(zhì)量之比成反比，即 ＝ 由題圖可以看出xm＋xM＝L 以上各式聯(lián)立可得： xm＝L，xM＝L。 [答案]　L　L [課堂對(duì)點(diǎn)鞏固] 1．(多選)下列不屬于反沖運(yùn)動(dòng)的是(　　) A．噴氣式飛機(jī)的運(yùn)動(dòng) B．直升機(jī)的運(yùn)動(dòng) C．火箭的運(yùn)動(dòng) D．反擊式水輪機(jī)的運(yùn)動(dòng) 解析：選ACD　選項(xiàng)A、C、D中，三者都是自身的一部分向一方向運(yùn)動(dòng)，而剩余部分向反方向運(yùn)動(dòng)，而直升機(jī)是靠外界空氣的反作用

11、力作為動(dòng)力，所以A、C、D對(duì)，B錯(cuò)。 2．平靜的水面上停著一只小船，船頭站立著一個(gè)人，船的質(zhì)量是人的質(zhì)量的8倍。從某時(shí)刻起，這個(gè)人向船尾走去，走到船中部他突然停止走動(dòng)。水對(duì)船的阻力忽略不計(jì)。下列說法中正確的是(　　) A．人走動(dòng)時(shí)，他相對(duì)于水面的速度和小船相對(duì)于水面的速度大小相等、方向相反 B．他突然停止走動(dòng)后，船由于慣性還會(huì)繼續(xù)走動(dòng)一小段時(shí)間 C．人在船上走動(dòng)過程中，人對(duì)水面的位移是船對(duì)水面位移的9倍 D．人在船上走動(dòng)過程中，人的動(dòng)能是船的動(dòng)能的8倍 解析：選D　人船系統(tǒng)動(dòng)量守恒，總動(dòng)量始終為零，因此人、船動(dòng)量等大，速度與質(zhì)量成反比，A錯(cuò)誤；人“突然停止走動(dòng)”是指人和船相對(duì)靜止

12、，設(shè)這時(shí)人、船的速度為v，則(M＋m)v＝0，所以v＝0，說明船的速度立即變?yōu)榱?，B錯(cuò)誤；人和船系統(tǒng)動(dòng)量守恒，速度和質(zhì)量成反比，因此人的位移是船的位移的8倍，C錯(cuò)誤；動(dòng)能、動(dòng)量關(guān)系Ek＝∝，人在船上走動(dòng)過程中人的動(dòng)能是船的動(dòng)能的8倍，D正確。 3．(多選)采取下列措施有利于增大噴氣式飛機(jī)的飛行速度的是(　　) A．使噴出的氣體速度更大 B．使噴出的氣體溫度更高 C．使噴出的氣體質(zhì)量更大 D．使噴出的氣體密度更小 解析：選AC　把噴氣式飛機(jī)和噴出的氣體看成系統(tǒng)，設(shè)原來總質(zhì)量為M，噴出的氣體質(zhì)量為m，速度是v，剩余質(zhì)量(M－m)的速度為v′，規(guī)定飛機(jī)的速度方向?yàn)檎较?，由?dòng)量守恒得mv

13、－(M－m)v′＝0，v′＝。故A、C正確。 4．(多選)一人從泊在碼頭邊的船上往岸上跳，若該船的纜繩并沒拴在碼頭上，則下列說法中正確的有(　　) A．船越輕小，人越難跳上岸 B．人跳躍時(shí)相對(duì)船速度大于相對(duì)地速度 C．船越重越大，人越難跳上岸 D．人跳時(shí)相對(duì)船速度等于相對(duì)地速度 解析：選AB　人盡力往岸上跳時(shí)，人做的功是確定的，且全部轉(zhuǎn)化成了人與船的動(dòng)能。設(shè)船的質(zhì)量為m1，人的質(zhì)量為m2，跳后人與船的動(dòng)量大小均為p，則Ek人＝，Ek船＝，因Ek人＋Ek船為定值，故m1越小，p越小，故A對(duì)；人、船相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此說人跳躍時(shí)相對(duì)船速度大于相對(duì)地速度，故B正確。 [課堂小結(jié)]- - -

14、- - - - - - - - - - - - [課時(shí)跟蹤檢測(cè)五] 一、單項(xiàng)選擇題 1．靜止的實(shí)驗(yàn)火箭，總質(zhì)量為M，當(dāng)它以對(duì)地速度v0噴出質(zhì)量為Δm的高溫氣體后，火箭的速度為(　　) A. B．－ C. D．－ 解析：選B　火箭與高溫氣體的運(yùn)動(dòng)屬于反沖運(yùn)動(dòng)，遵循動(dòng)量守恒定律，設(shè)火箭對(duì)地的速度為v，則有：0＝(M－Δm)v＋Δmv0，所以v＝－，故B正確。 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．燃料燃燒推動(dòng)空氣，空氣反作用力推動(dòng)火箭 B．火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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，然后向后推

15、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：選B　火箭的工作原理是反沖運(yùn)動(dòng)，火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體從尾部迅速噴出時(shí)，使火箭獲得反沖速度，故正確選項(xiàng)為B。 3．一裝有柴油的船靜止于水平面上，船前艙進(jìn)了水，堵住漏洞后用一水泵把前艙的油抽往后艙，如圖所示。不計(jì)水的阻力，船的運(yùn)動(dòng)情況是(　　) A．向前運(yùn)動(dòng) B．向后運(yùn)動(dòng) C．靜止 D．無(wú)法判斷 解析：選A　雖然抽油的過程屬于船與油的內(nèi)力作用，但油的質(zhì)量發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從前艙轉(zhuǎn)到了后艙，相當(dāng)于人從船的一頭走到另一頭的過程。故A正確。 4.(福建高考)如圖所示，質(zhì)量為M的小船

16、在靜止水面上以速率v0向右勻速行駛，一質(zhì)量為m的救生員站在船尾，相對(duì)小船靜止。若救生員以相對(duì)水面速率v水平向左躍入水中，則救生員躍出后小船的速率為(　　) A．v0＋v B．v0－v C．v0＋(v0＋v) D．v0＋(v0－v) 解析：選C　人在躍出的過程中船和人組成的系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，規(guī)定向右為正方向，(M＋m)v0＝Mv′－mv，解得v′＝v0＋(v＋v0)，C項(xiàng)正確。 5.如圖所示，設(shè)質(zhì)量為M的導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)到空中最高點(diǎn)時(shí)速度為v0，突然炸成兩塊，質(zhì)量為m的一塊以速度v沿v0的方向飛去，則另一塊的運(yùn)動(dòng)(　　) A．一定沿v0的方向飛去 B．一定沿v0的反方向飛去 C

17、．可能做自由落體運(yùn)動(dòng) D．以上說法都不對(duì) 解析：選C　根據(jù)動(dòng)量守恒得Mv0＝mv＋(M－m)v′，解得v′＝。mv可能大于、小于或等于Mv0，所以v′可能小于、大于或等于零，C正確。 6．一質(zhì)量為M的航天器，正以速度v0在太空中飛行，某一時(shí)刻航天器接到加速的指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間向后噴出一定質(zhì)量的氣體，氣體噴出時(shí)速度大小為v1，加速后航天器的速度大小v2，則噴出氣體的質(zhì)量m為(　　) AM B.M C.M D.M 解析：選C　規(guī)定航天器的速度方向?yàn)檎较?，由?dòng)量守恒定律可得：Mv0＝(M－m)v2－mv1，解得m＝M，故選C。 7．一航天探測(cè)器完成對(duì)月球的探測(cè)后，離開月球的過

18、程中，由靜止開始沿著與月球表面成一定傾角的直線飛行，先加速運(yùn)動(dòng)后勻速運(yùn)動(dòng)。探測(cè)器通過噴氣而獲得動(dòng)力，以下關(guān)于噴氣方向的說法正確的是(　　) A．探測(cè)器加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，向后噴氣 B．探測(cè)器加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，豎直向下噴氣 C．探測(cè)器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，豎直向下噴氣 D．探測(cè)器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不需要噴氣 解析：選C　探測(cè)器由靜止開始沿著與月球表面成一定傾角的直線飛行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度的方向沿運(yùn)動(dòng)的直線方向，即合力的方向沿運(yùn)動(dòng)的直線方向，而探測(cè)器受到月球的萬(wàn)有引力方向豎直向下，所以，反沖力方向與運(yùn)動(dòng)的直線成一角度斜向上，則噴氣方向與運(yùn)動(dòng)的直線成一角度斜向下，A、B錯(cuò)誤；探測(cè)器勻速運(yùn)動(dòng)，即所受合力為零，探測(cè)器受到的

19、月球的萬(wàn)有引力豎直向下，則受到的噴出氣體的反沖力豎直向上，因此，探測(cè)器豎直向下噴氣，C正確，D錯(cuò)誤。 二、多項(xiàng)選擇題 8．一只青蛙，蹲在置于水平地面上的長(zhǎng)木板一端，并沿板的方向朝另一端跳，在下列情況下，青蛙一定不能跳過長(zhǎng)木板的是(　　) A．木板的上表面光滑而底面粗糙 B．木板的上表面粗糙而底面光滑 C．木板上、下兩表面都粗糙 D．木板上、下兩表面都光滑 解析：選AD　只要木板的上表面光滑，青蛙與木板間就無(wú)法產(chǎn)生水平方向上的相互作用，無(wú)法改變水平方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故A、D正確。 9．A、B兩船的質(zhì)量均為M，它們都靜止在平靜的湖面上，當(dāng)A船上質(zhì)量為的人以水平速度v從A船跳到B船，

20、再?gòu)腂船跳回A船。設(shè)水對(duì)船的阻力不計(jì)，經(jīng)多次跳躍后，人最終跳到B船上，則(　　) A．A、B兩船的速度大小之比為3∶2 B．A、B(包括人)動(dòng)量大小之比為1∶1 C．A、B(包括人)動(dòng)量之和為零 D．因跳躍次數(shù)未知，故以上答案均無(wú)法確定 解析：選ABC　選A船、B船和人組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，則它們的初始總動(dòng)量為0。由動(dòng)量守恒定律可知，系統(tǒng)以后的總動(dòng)量將一直為0。選最終B船的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，則由動(dòng)量守恒定律可得： 0＝vB－MvA 解得：vB＝vA，所以A、B兩船的速度大小之比為3∶2，選項(xiàng)A正確；A和B(包括人)的動(dòng)量大小相等，方向相反，動(dòng)量大小之比為1∶1，選項(xiàng)B正確；由于系統(tǒng)的總動(dòng)量始終守恒，且為零，故A、B(包括人)的動(dòng)量之和也始終，且為零，選項(xiàng)C正確。 三、非選擇題 10．如圖所示，進(jìn)行太空行走的宇航員A和B的質(zhì)量分別為80 kg和100 kg，他們攜手遠(yuǎn)離空間站，相對(duì)空間站的速度為0.1 m/s，A將B向空間站方向輕推后，A的速度變?yōu)?.2 m/s，求此時(shí)B的速度大小和方向。 解析：以遠(yuǎn)離空間站方向?yàn)檎较?，則v0＝0.1 m/s，vA＝0.2 m/s，由動(dòng)量守恒定律得 (mA＋mB)v0＝mAvA＋mBvB 解得vB＝0.02 m/s 方向?yàn)檫h(yuǎn)離空間站方向。 答案：0.02 m/s　遠(yuǎn)離空間站方向 9