2020版新教材高中物理 主題1 動量 6 反沖現(xiàn)象 火箭學案 新人教版必修第一冊

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1、6　反沖現(xiàn)象　火箭 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解反沖運動的概念及反沖運動的一些應用． 2.知道反沖運動的原理．(重點) 3.掌握應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) 知識點一| 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)象叫作反沖． 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．

2、 3．公式 若系統(tǒng)的初始動量為零，則動量守恒定律的形式變?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． 1．做反沖運動的兩部分的動量一定大小相等，方向相反． (√) 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． (√) 1．反沖運動中，內(nèi)力做功的代數(shù)和是否為零？ 【提示】　不為零．反沖運動中，兩部分受到的內(nèi)力做功的代數(shù)和為正值． 2．兩位同學在公園里劃船，當小船離碼頭大約1.5 m時，有一位同學心想：自己在體育課上立定跳遠的成績從未低于2 m，跳到岸上絕對沒有問題．于是她縱身一

3、跳，結(jié)果卻掉到了水里(如圖所示)，她為什么不能如她所想的那樣跳到岸上呢？ 【提示】　這位同學與船組成的系統(tǒng)在不考慮水的阻力的情況下，所受合外力為零，在她跳起前后遵循動量守恒定律．在她向前跳起瞬間，船要向后運動． 如圖所示，為一條約為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，不計水的阻力． 探討1：小船發(fā)生移動的動力是什么力？小船向哪個方向運動？ 【提示】　摩擦力．向左運動，即與人行的方向相反． 探討2：當人走到船頭相對船靜止時，小船還運動嗎？為什么？ 【提示】　不運動．小船和人組成的系統(tǒng)動量守恒，當人的速度為零時，船的速度也為零． 探討3

4、：當人從船尾走到船頭時，有沒有可能出現(xiàn)如圖甲或如圖乙的情形？為什么？ 甲　　　　　　　乙 【提示】　不可能．由系統(tǒng)動量守恒可知，人和船相對于地面的速度方向一定相反，不可能向同一個方向運動，且人船位移比等于它們質(zhì)量的反比． 1．反沖運動的特點及遵循的規(guī)律 (1)特點：是物體之間的作用力與反作用力產(chǎn)生的效果． (2)條件：①系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零．②內(nèi)力遠大于外力；③系統(tǒng)在某一方向上不受外力或該方向上所受外力之和為零． (3)反沖運動遵循動量守恒定律． 2．討論反沖運動應注意的兩個問題 (1)速度的反向性 對于原來靜止的物體，被拋出部分具有速度時，剩余部分的運

5、動方向與被拋出部分必然相反． (2)速度的相對性 一般都指對地速度． 3.“人船模型”問題 (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：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(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應用此關(guān)系時要注意一個問題：即公式中v1、v2和x1、x2一般都是相對地面而言的．

6、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)面各裝有一個閥門，分別為S1、S2、S3、S4(圖中未畫出)，要使小車向前運動，可采用的方法是打開閥門________． 解析：根據(jù)水和車組成的系統(tǒng)動量守恒，原來系統(tǒng)動量為零，由0＝m水v水＋m車v車知，車的運動方向與水的運動方向相反，故水應向后噴出． 答案：S2 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．設人下滑的

7、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 解以上各式得：L＝h. 答案：h 解決“人船模型”應注意兩點 (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，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． 知識點二| 火箭 1．原理 火箭的飛行應用了反沖的原理，靠噴出氣流的反沖作用來獲得巨

8、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．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． (×) 2．在沒有空氣的宇宙空間，火箭仍可加速前行． (√) 3．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． (√) 假如在月球上建一飛機場，應配置噴氣式飛機還是螺旋槳飛機呢？ 【提示】　應配置噴氣式飛機．噴氣式飛機利用反沖運動原理，可以在真空中飛行，而螺旋槳飛機是靠轉(zhuǎn)動的螺旋槳與空氣的相互作用力飛行的，不能在真空中飛行． 如圖所示

9、，是多級運載火箭的示意圖，發(fā)射時，先點燃第一級火箭，燃料用完后，空殼自動脫落，然后下一級火箭開始工作． 探討1：火箭點火后能加速上升的動力是什么力？ 【提示】　燃燒產(chǎn)生的氣體高速向下噴出，氣體產(chǎn)生的反作用力推動火箭加速上升． 探討2：要提升運載物的最大速度可采用什么措施？ 【提示】　提高氣體噴射速度，增加燃料質(zhì)量，及時脫離前一級火箭空殼． 1.火箭的速度 設火箭在Δt時間內(nèi)噴射燃氣的質(zhì)量為Δm，速度為u，噴氣后火箭的質(zhì)量為m，獲得的速度為v，由動量守恒定律：0＝mv＋Δmu，得v＝－u. 2.決定因素 火箭獲得速度取決于燃氣噴出速度u及燃氣質(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比兩個因素．

10、 3.多級火箭 由于受重力的影響，單級火箭達不到發(fā)射人造地球衛(wèi)星所需要的7.9 km/s，實際火箭為多級． 多級火箭發(fā)射時，較大的第一級火箭燃燒結(jié)束后，便自動脫落，接著第二級、第三級依次工作，燃燒結(jié)束后自動脫落，這樣可以不斷地減小火箭殼體的質(zhì)量，減輕負擔，使火箭達到遠遠超過使用同樣多的燃料的一級火箭所能達到的速度．目前多級火箭一般都是三級火箭，因為三級火箭能達到目前發(fā)射人造衛(wèi)星的需求． 3．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

11、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 4．(多選)采取下列哪些措施有利于增加火箭的飛行速度(　　) 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：設火箭原來的總質(zhì)量為M，噴出的氣體質(zhì)量為m，速度是v，剩余的質(zhì)量為(M－m)，速度是v′，由動量守恒得：(M－m)v′＝mv得：v′＝，由上式可知：m越大，v越大，v′越大．故A、C正確． 答案：AC

12、 5．一火箭噴氣發(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

13、，運用動量守恒定律求解． 設噴出三次氣體后火箭的速度為v3，以火箭和噴出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 火箭類問題的三點提醒 (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(zhuǎn)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． - 7 -