2019-2020學年高中物理 第16章 5 反沖運動 火箭學案 新人教版選修3-5

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1、5　反沖運動　火箭 [學習目標]　1.了解反沖運動的概念及反沖運動的一些應(yīng)用.2.知道反沖運動的原理．(重點)3.掌握應(yīng)用動量守恒定律解決反沖運動問題．(重點、難點)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) 一、反沖運動 1．定義 根據(jù)動量守恒定律，如果一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩個部分，一部分向某個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動，這個現(xiàn)象叫做反沖． 2．反沖原理 反沖運動的基本原理是動量守恒定律，如果系統(tǒng)的一部分獲得了某一方向的動量，系統(tǒng)的其他部分就會在這一方向的反方向上獲得同樣大小的動量． 3．公式 若系統(tǒng)的初始動量為零，則動量守

2、恒定律的形式變?yōu)?＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反沖運動的兩部分的動量大小相等、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“√”，錯誤的打“×”) (1)做反沖運動的兩部分的動量一定大小相等，方向相反． (√) (2)章魚、烏賊的運動利用了反沖的原理． (√) (3)火箭點火后離開地面向上運動，是地面對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，火箭獲得的機械能來自于燃料燃燒釋放的化學能． (√) 2．運送人造地球衛(wèi)星的火箭開始工作后，火箭做加速運動的原因是(　　) A．燃料推動空氣，空氣反作用力推動火箭 B．火箭發(fā)動機用力將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體向后推出，氣體的反作用力推動火箭 C．火箭吸入空氣，然后向后排出，空氣對火箭的反作用力推動火箭 D．火箭燃料燃燒發(fā)熱，加熱周圍空氣，空氣膨脹推動火箭 [解析]　火箭工作中，動量守恒，當向后噴氣時，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)于反沖運動的說法中，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．反沖運動中，牛頓第三定律適用，但牛頓第二定律不適用 D．對拋出部分和剩余部分都適用于牛頓第二定律 [解析]　反沖運動的定義為由于系統(tǒng)的一部分物體向某一方向運動，而使另一部分向相反方向運動，這種現(xiàn)象叫反沖運動．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A錯誤．在反沖運動中，兩部分之間的作用力是一對作用力與反作用力，由牛頓第三定律可知，它們大小相等，方向相反，故選項B錯誤．在反沖運動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，在此過程中對每一部分牛頓第二定律都成立，故選項C錯誤，選項D正確． [答案]　D 對反沖運動的理解 1．反沖運動的特點和規(guī)律 (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運動，一般情況下，系統(tǒng)動量守恒，或系統(tǒng)在某一方向上動量守恒． (2)物體間發(fā)生相互作用時，有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，所以系統(tǒng)的總動能增加，作用力和反作用力都做正功． 2．處理反沖運動應(yīng)注意的問題 (1)速度的方向 對于原來靜止的整體，拋出部分與剩余部分的運動方向必然相反．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，則反方向的速度應(yīng)取負值． (2)相對速度問題 在反

6、沖運動中，有時遇到的速度是兩物體的相對速度．此類問題中應(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成對地的速度后，再列動量守恒定律方程． (3)變質(zhì)量問題 如在火箭的運動過程中，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，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． 【例1】　一火箭噴氣發(fā)動機每次噴出m＝200 g的氣體，氣體離開發(fā)動機噴出時的速度v＝1 000 m/s(相對地面)，設(shè)火箭質(zhì)量M＝300 kg，發(fā)動機每秒噴氣20次．求當?shù)谌螝怏w噴出后，火箭的速度多大？ [解析]　法一：噴出氣體的運動方向與火箭運動的方向相反，系統(tǒng)動量守恒 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：選取整體為研究對象，運用動量守恒定律求解． 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象，據(jù)動量守恒定律，得(M－3m)v3－3mv＝0 所以v3＝＝2 m/s. [答案]　2 m/s 　例題1中，若發(fā)動機每次噴出2 kg氣體，氣體離開發(fā)動機噴出時的速度v＝1 000 m/s改

8、為相對火箭，則當?shù)谝淮螝怏w噴出后，火箭的速度多大？ 【提示】　由動量守恒定律(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)火箭在運動過程中，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(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)換成對地球的速度． (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反的． 人船模型

9、 (1)定義 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(zhì)量的反比．這樣的問題歸為“人船模型”問題. (2)特點 ①兩物體滿足動量守恒定律：m11－m22＝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(zhì)量的反比；人船平均速度(瞬時速度)比等于它們質(zhì)量的反比，即＝＝. ③應(yīng)用此關(guān)系時要注意一個問題：即公式中1、2和x1、x2一般都是相對地面而言的． 【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？ [解析]　如圖所示，設(shè)繩長為L，人沿軟繩滑至地面的時間為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 (1)適用條件： ①系統(tǒng)由兩個物體組成且相互作用前靜止，系統(tǒng)總動量為零； ②在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相對運動的過程中至少有一個方向的動量守恒(如水平方向或豎直方向)． (2)畫草圖：解題時要畫出各物體的位移關(guān)系草圖，

11、找出各長度間的關(guān)系，注意兩物體的位移是相對同一參考系的位移． 一只約為180 kg的小船漂浮在靜水中，當人從船尾走向船頭時，小船也發(fā)生了移動，忽略水的阻力，以下是某同學利用有關(guān)物理知識分析人與船相互作用過程時所畫出的草圖(如圖所示)，圖中虛線部分為人走到船頭時的情景，(已知人的質(zhì)量小于小船的質(zhì)量)請用有關(guān)物理知識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)動量守恒，總動量為零，人向前走時，船將向后退．又因為人的質(zhì)量小于船的質(zhì)量，即人前進的距離大于船后退的距離，B正確． [答案]　B 課 堂 小 結(jié) 1.一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩個部分，

12、一部分向某個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動，這個現(xiàn)象叫反沖. 2.噴氣式飛機和火箭的飛行應(yīng)用了反沖的原理. 3.日常生活中，有時要應(yīng)用反沖，有時要防止反沖，如農(nóng)田、園林的噴灌利用了水的反沖，用槍射擊時，要防止槍身的反沖. 知 識 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，其中一人向另一個人拋出一個籃球，另一人接球后再拋回．如此反復進行幾次后，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)動量守恒，故最終甲、乙以及籃球的動量之和必為零．根據(jù)動量守恒定律有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，炮彈射出炮口時對地的速率為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)水平方向動量守恒，0＝m2v0cos θ－(m1－m2)v，得v＝，選項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，當車與地面摩擦不計時，那么(　　) A．人在車上行走，若人相對車突然停止，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，車在地面上移動的距離相同 [解析]　由于地面光滑，則人與車組成的系統(tǒng)動量守恒得：mv人＝Mv車，可知A正確；設(shè)車長為L，由m(L－x車)＝Mx車得，x車＝L，車在地面上移動的位移大小與人的平均速度大小無關(guān)，故D正確，B、C均錯誤． [答案]　AD - 7 -