高中物理人教版5本冊(cè)總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí) 第16章5反沖運(yùn)動(dòng)火箭

5反沖運(yùn)動(dòng)火箭學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)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(wèn)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))反沖運(yùn)動(dòng)eq\a\vs4\al([先填空])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．eq\a\vs4\al([再判斷])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．(√)2．一切反沖現(xiàn)象都是有益的．(×)3．章魚(yú)、烏賊的運(yùn)動(dòng)利用了反沖的原理．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．反沖運(yùn)動(dòng)中，內(nèi)力做功的代數(shù)和是否為零？【提示】不為零．反沖運(yùn)動(dòng)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(xué)在公園里劃船，當(dāng)小船離碼頭大約1.5m時(shí)，有一位同學(xué)心想：自己在體育課上立定跳遠(yuǎn)的成績(jī)從未低于2m，跳到岸上絕對(duì)沒(méi)有問(wèn)題．于是她縱身一跳，結(jié)果卻掉到了水里(如圖16-5-1所示)，她為什么不能如她所想的那樣跳到岸上呢？圖16-5-1【提示】這位同學(xué)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(dòng)量守恒定律．在她向前跳起瞬間，船要向后運(yùn)動(dòng)．eq\a\vs4\al([合作探討])如圖16-5-2所示，為一條約為180kg的小圖16-5-2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)，不計(jì)水的阻力．探討1：小船發(fā)生移動(dòng)的動(dòng)力是什么力？小船向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？【提示】摩擦力．向左運(yùn)動(dòng)，即與人行的方向相反．探討2：當(dāng)人走到船頭相對(duì)船靜止時(shí)，小船還運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？【提示】不運(yùn)動(dòng)．小船和人組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，當(dāng)人的速度為零時(shí)，船的速度也為零．探討3：當(dāng)人從船尾走到船頭時(shí)，有沒(méi)有可能出現(xiàn)如圖16-5-3甲或如圖乙的情形？為什么？甲乙圖16-5-3【提示】不可能．由系統(tǒng)動(dòng)量守恒可知，人和船相對(duì)于地面的速度方向一定相反，不可能向同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且人船位移比等于它們質(zhì)量的反比．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．反沖運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及遵循的規(guī)律(1)特點(diǎn)：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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)量守恒定律．2．討論反沖運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意的兩個(gè)問(wèn)題(1)速度的反向性對(duì)于原來(lái)靜止的物體，被拋出部分具有速度時(shí)，剩余部分的運(yùn)動(dòng)方向與被拋出部分必然相反．(2)速度的相對(duì)性一般都指對(duì)地速度．3．“人船模型”問(wèn)題(1)定義兩個(gè)原來(lái)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(guò)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(wèn)題歸為“人船模型”問(wèn)題.(2)特點(diǎn)①兩物體滿足動(dòng)量守恒定律：m1eq\x\to(v)1－m2eq\x\to(v)2＝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eq\f(x1,x2)＝eq\f(\x\to(v)1,\x\to(v)2)＝eq\f(m2,m1).③應(yīng)用此關(guān)系時(shí)要注意一個(gè)問(wèn)題：即公式eq\x\to(v)1、eq\x\to(v)2和x一般都是相對(duì)地面而言的．1．小車(chē)上裝有一桶水，靜止在光滑水平地面上，如圖16-5-4所示，桶的前、后、底及側(cè)面各裝有一個(gè)閥門(mén)，分別為S1、S2、S3、S4(圖中未畫(huà)出)，要使小車(chē)向前運(yùn)動(dòng)，可采用的方法是打開(kāi)閥門(mén)________．圖16-5-4【解析】根據(jù)水和車(chē)組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，原來(lái)系統(tǒng)動(dòng)量為零，由0＝m水v水＋m車(chē)v車(chē)知，車(chē)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．【答案】S22．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＝Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x球,t)))－meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x人,t)))，0＝Mx球－mx人又有x人＋x球＝L，x人＝h解以上各式得：L＝eq\f(M＋m,M)h.【答案】eq\f(M＋m,M)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(guò)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(huà)草圖：解題時(shí)要畫(huà)出各物體的位移關(guān)系草圖，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．火箭eq\a\vs4\al([先填空])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(lái)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．eq\a\vs4\al([再判斷])1．火箭點(diǎn)火后離開(kāi)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．(×)2．在沒(méi)有空氣的宇宙空間，火箭仍可加速前行．(√)3．火箭發(fā)射時(shí)，火箭獲得的機(jī)械能來(lái)自于燃料燃燒釋放的化學(xué)能．(√)eq\a\vs4\al([后思考])假如在月球上建一飛機(jī)場(chǎng)，應(yīng)配置噴氣式飛機(jī)還是螺旋槳飛機(jī)呢？【提示】應(yīng)配置噴氣式飛機(jī)．噴氣式飛機(jī)利用反沖運(yùn)動(dòng)原理，可以在真空中飛行，而螺旋槳飛機(jī)是靠轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳與空氣的相互作用力飛行的，不能在真空中飛行．eq\a\vs4\al([合作探討])如圖16-5-5所示，是多級(jí)運(yùn)載火箭的示意圖，發(fā)射時(shí)，先點(diǎn)燃第一級(jí)火箭，燃料用完后，空殼自動(dòng)脫落，然后下一級(jí)火箭開(kāi)始工作．圖16-5-5探討1：火箭點(diǎn)火后能加速上升的動(dòng)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(dòng)火箭加速上升．探討2：要提升運(yùn)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(shí)脫離前一級(jí)火箭空殼．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．火箭的速度設(shè)火箭在Δt時(shí)間內(nèi)噴射燃?xì)獾馁|(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(dòng)量守恒定律：0＝mv＋Δmu，得v＝－eq\f(Δm,m)u.2．決定因素火箭獲得速度取決于燃?xì)鈬姵鏊俣萿及燃?xì)赓|(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比eq\f(Δm,m)兩個(gè)因素．3．多級(jí)火箭由于受重力的影響，單級(jí)火箭達(dá)不到發(fā)射人造地球衛(wèi)星所需要的km/s，實(shí)際火箭為多級(jí)．多級(jí)火箭發(fā)射時(shí)，較大的第一級(jí)火箭燃燒結(jié)束后，便自動(dòng)脫落，接著第二級(jí)、第三級(jí)依次工作，燃燒結(jié)束后自動(dòng)脫落，這樣可以不斷地減小火箭殼體的質(zhì)量，減輕負(fù)擔(dān)，使火箭達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)使用同樣多的燃料的一級(jí)火箭所能達(dá)到的速度．目前多級(jí)火箭一般都是三級(jí)火箭，因?yàn)槿?jí)火箭能達(dá)到目前發(fā)射人造衛(wèi)星的需求．3．一航天器完成對(duì)月球的探測(cè)任務(wù)后，在離開(kāi)月球的過(guò)程中，由靜止開(kāi)始沿著與月球表面成一傾角的直線飛行，先加速運(yùn)動(dòng)，再勻速運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器通過(guò)噴氣而獲得推動(dòng)力，探測(cè)器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其噴氣方向?yàn)開(kāi)_______．【解析】探測(cè)器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)噴氣獲得的推動(dòng)力與月球?qū)μ綔y(cè)器的引力的合力為零，根據(jù)反沖運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)可知應(yīng)豎直向下噴氣．【答案】豎直向下4．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(guò)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________．【解析】應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決本題，注意火箭模型質(zhì)量的變化．取向下為正方向，由動(dòng)量守恒定律可得：0＝mv0－(M－m)v′故v′＝eq\f(mv0,M－m).【答案】eq\f(mv0,M－m)5．一火箭噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)每次噴出m＝200g的氣體，氣體離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出時(shí)的速度v＝1000m/s(相對(duì)地面)，設(shè)火箭質(zhì)量M＝300kg，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)量守恒第一次氣體噴出后，火箭速度為v1，有(M－m)v1－mv＝0所以v1＝eq\f(mv,M－m)第二次氣體噴出后，火箭速度為v2，有(M－2m)v2－mv＝(M－m)v所以v2＝eq\f(2mv,M－2m)第三次氣體噴出后，火箭速度為v3，有(M－3m)v3－mv＝(M－2m)所以v3＝eq\f(3mv,M－3m)＝eq\f(3××1000,300－3×m/s＝2m/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，以火箭和噴出三次氣體為研究對(duì)象，據(jù)動(dòng)量守恒定律，得(M－3m)v3－3mv所以v3＝eq\f(3mv,M－3m)＝2m/s.【答案】2m/s火箭類(lèi)問(wèn)題的三點(diǎn)提醒(1)火箭在運(yùn)動(dòng)過(guò)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為同一參考系，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)地的速度．(3)列方程時(shí)要注意初、末狀態(tài)動(dòng)量的方向．學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng)(五)(建議用時(shí)：45分鐘)[學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)]1．一氣球由地面勻速上升，當(dāng)氣球下的吊梯上站著的人沿著梯子上爬時(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．氣球可能勻速上升B．氣球可能相對(duì)地面靜止C．氣球可能下降D．氣球運(yùn)動(dòng)速度不發(fā)生變化E．氣球可能加速上升【解析】設(shè)氣球質(zhì)量為M，人的質(zhì)量為m，由于氣球勻速上升，系統(tǒng)所受的外力之和為零，當(dāng)人沿吊梯向上爬時(shí)，動(dòng)量守恒，則(M＋m)v0＝mv1＋Mv2，在人向上爬的過(guò)程中，氣球的速度為v2＝eq\f(M＋mv0－mv1,M).當(dāng)v2＞0時(shí)，氣球可勻速上升；當(dāng)v2＝0時(shí)氣球靜止；當(dāng)v2＜0時(shí)氣球下降．所以，選項(xiàng)A、B、C均正確．要使氣球運(yùn)動(dòng)速度不變，則人的速度仍為v0，即人不上爬，顯然不對(duì)，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．E項(xiàng)違背動(dòng)量守恒．【答案】ABC2．質(zhì)量為m的人在質(zhì)量為M的小車(chē)上從左端走到右端，如圖16-5-6所示，當(dāng)車(chē)與地面摩擦不計(jì)時(shí)，那么()圖16-5-6A．人在車(chē)上行走，若人相對(duì)車(chē)突然停止，則車(chē)也突然停止B．人在車(chē)上行走的平均速度越大，則車(chē)在地面上移動(dòng)的距離也越大C．人在車(chē)上行走的平均速度越小，則車(chē)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(chē)在地面上移動(dòng)的距離相同E．人在車(chē)上行走的平均速度越大，車(chē)在地面移動(dòng)的平均速度也越大【解析】由人與車(chē)組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒得：mv人＝Mv車(chē)，可知A、E正確；設(shè)車(chē)長(zhǎng)為L(zhǎng)，由m(L－x車(chē))＝Mx車(chē)得，x車(chē)＝eq\f(m,M＋m)L，車(chē)在地面上移動(dòng)的位移大小與人的平均速度大小無(wú)關(guān)，故D正確，B、C均錯(cuò)誤．【答案】ADE3．一裝有柴油的船靜止于水平面上，若用一水泵把前艙的油抽往后艙，如圖16-5-7所示．不計(jì)水的阻力，船的運(yùn)動(dòng)情況是________________．(填“向前運(yùn)動(dòng)”“向后運(yùn)動(dòng)”或“靜止”)圖16-5-7【解析】雖然抽油的過(guò)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(guò)程．【答案】向前運(yùn)動(dòng)4．質(zhì)量為M的火箭，原來(lái)以速度v0在太空中飛行，現(xiàn)在突然向后噴出一股質(zhì)量為Δm的氣體，噴出氣體相對(duì)火箭的速度為v，則噴出氣體后火箭的速率為_(kāi)_______．【解析】依題意可知，火箭原來(lái)相對(duì)地的速度為v0，初動(dòng)量為p0＝Mv0，質(zhì)量為Δm的氣體噴出后，火箭的質(zhì)量為(M－Δm)，設(shè)氣體噴出后，火箭和氣體相對(duì)地的速度分別為v1和v2，則氣體相對(duì)火箭的速度為：v＝v1＋v2，v2＝v－v1，選v1的方向?yàn)檎较?，則系統(tǒng)的末動(dòng)量為：p＝(M－Δm)v1＋Δm[－(v－v1)]＝Mv1－Δmv，由動(dòng)量守恒定律，有p＝p0，則：Mv1－Δmv＝Mv0，所以v1＝(Mv0＋Δmv)/M.【答案】(Mv0＋Δmv)/M5．如圖16-5-8所示，火炮連同炮彈的總質(zhì)量為M，當(dāng)炮管水平，火炮車(chē)在水平路面上以v1的速度向右勻速行駛中，發(fā)射一枚質(zhì)量為m的炮彈后，火炮的速度變?yōu)関2，仍向右行駛．則炮彈相對(duì)炮筒的發(fā)射速度v0為_(kāi)_______．圖16-5-8【解析】火炮水平勻速行駛時(shí)，牽引力與阻力平衡，系統(tǒng)動(dòng)量守恒．設(shè)向右為正方向，發(fā)射前動(dòng)量之和為Mv1，發(fā)射后系統(tǒng)的動(dòng)量之和為(M－m)v2＋m(v0＋v2)，由Mv1＝(M－m)v2＋m(v0＋v2)，解得v0＝eq\f(Mv1－M－mv2,m)－v2＝eq\f(Mv1－v2,m).【答案】eq\f(Mv1－v2,m)6．有一條捕魚(yú)小船停靠在湖邊碼頭，小船又窄又長(zhǎng)(估計(jì)重1噸左右)，一位同學(xué)想用一個(gè)卷尺粗略測(cè)定它的質(zhì)量，他進(jìn)行了如下操作：首先將船平行碼頭自由停泊，然后他輕輕從船尾上船，走到船頭后停下，而且輕輕下船，用卷尺測(cè)出船后退的距離d，然后用卷尺測(cè)出船長(zhǎng)L.已知他身體的質(zhì)量為m，則小船的質(zhì)量為多少？【解析】如圖所示，設(shè)該同學(xué)在時(shí)間t內(nèi)從船尾走到船頭，由動(dòng)量守恒定律知，人、船在該時(shí)間內(nèi)的平均動(dòng)量大小相等，即：meq\f(x人,t)＝Meq\f(d,t)又：x人＝L－d解得M＝eq\f(mL－d,d).【答案】eq\f(mL－d,d)[能力提升]7．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(shuō)法中正確的是()A．人走動(dòng)時(shí)，他相對(duì)于水面的速度大于小船相對(duì)于水面的速度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(guò)程中，人對(duì)水面的位移是船對(duì)水面的位移的9倍D．人在船上走動(dòng)過(guò)程中，人的動(dòng)能是船的動(dòng)能的8倍E．人在船上走動(dòng)過(guò)程中，人對(duì)水面的位移是船對(duì)水面的位移的8倍【解析】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正確；人“突然停止走動(dòng)”是指人和船相對(duì)靜止，設(shè)這時(shí)人、船的速度為v，則(M＋m)v＝0，所以v＝0，說(shuō)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E正確；動(dòng)能、動(dòng)量關(guān)系Ek＝eq\f(p2,2m)∝eq\f(1,m)，人在船上走動(dòng)過(guò)程中人的動(dòng)能是船的動(dòng)能的8倍，D正確．【答案】ADE8．如圖16-5-9所示，一個(gè)傾角為α的直角斜面體靜置于光滑水平面上，斜面體質(zhì)量為M，頂端高度為h.今有一質(zhì)量為m的小物體，沿光滑斜面下滑，當(dāng)小物體從斜面頂端自由下滑到底端時(shí)，斜面體在水平面上移動(dòng)的距離是多少？【導(dǎo)學(xué)號(hào)：66390015】圖16-5-9【解析】此題屬于“人船模