高中物理人教版選修3-5課件第十六章5反沖運(yùn)動火箭

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反沖運(yùn)動

火箭課標(biāo)闡釋思維脈絡(luò)1.了解反沖運(yùn)動的概念及反沖運(yùn)動的一些應(yīng)用2.理解反沖運(yùn)動的原理,能夠應(yīng)用動量守恒定律解決反沖運(yùn)動問題3.了解火箭的工作原理及決定火箭最終速度大小的因素

一、反沖運(yùn)動1.定義一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩部分,一部分向某一個方向運(yùn)動,另一部分必然向相反的方向運(yùn)動的現(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。(2)反沖運(yùn)動中,相互作用力一般較大,通?？梢杂脛恿渴睾愣蓙硖幚怼?.反沖現(xiàn)象的應(yīng)用及防止(1)應(yīng)用:農(nóng)田、園林的噴灌裝置利用反沖使水從噴口噴出時,一邊噴水一邊旋轉(zhuǎn)。(2)防止:用槍射擊時,由于槍身的反沖會影響射擊的準(zhǔn)確性,所以用步槍射擊時要把槍身抵在肩部,以減少反沖的影響。必備知識

二、火箭1.工作原理:利用反沖運(yùn)動,火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)鈴奈膊繃姽苎杆賴姵?使火箭獲得巨大速度。2.影響火箭獲得速度大小的兩個因素:(1)噴氣速度:現(xiàn)代火箭的噴氣速度為2000~4000m/s。(2)質(zhì)量比:火箭起飛時的質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(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。3.現(xiàn)代火箭的主要用途:利用火箭作為運(yùn)載工具,如發(fā)射探測儀器、常規(guī)彈頭和核彈頭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船等。自我檢測

1.思考辨析。(1)我國近年來研制的大型客機(jī)C919以及WZ-10直升機(jī)就是利用反沖運(yùn)動的原理,發(fā)動機(jī)噴出高溫高壓的燃?xì)馐癸w機(jī)獲得了巨大的反推力而運(yùn)動。

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)解析:噴氣式客機(jī)是利用高速噴出的燃?xì)舛@得反作用力的,而直升機(jī)是螺旋槳直接跟空氣作用而獲得反作用力的。答案:×(2)公園里的湖面上有一條小船靜止,一人站在船頭,現(xiàn)在人開始走向船尾,則小船會沿船頭方向前進(jìn)。(

)解析:人和船組成的系統(tǒng)動量守恒,開始時總動量為零,人向后走,船就會向前走。答案:√(3)反沖運(yùn)動是相互作用的物體之間的作用力與反作用力產(chǎn)生的效果。

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)答案:√(4)只有系統(tǒng)合外力為零的反沖運(yùn)動才能用動量守恒定律來分析。

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)答案:×(5)反沖運(yùn)動的原理既適用于宏觀物體,也適用于微觀粒子。

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)答案:√(6)火箭應(yīng)用了反沖的原理。

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)答案:√2.探究討論。生活中常見的有關(guān)反沖運(yùn)動的現(xiàn)象多嗎?試舉出幾個例子。答案:生活中的反沖現(xiàn)象很多。如:(1)放沖天炮時,就是火藥的反沖作用使它向天上飛的。(2)用軟的水管澆水時,當(dāng)水放得很大時,水管頭部就有向后的力,這是水的反沖作用。(3)拿著高壓水管刷車的時候你會發(fā)現(xiàn)有很大的力推你,這個力是液體(水)的反沖所致。探究一探究二對反沖運(yùn)動的理解問題探究草坪灌溉用的自動旋轉(zhuǎn)噴水器原理圖如圖所示,當(dāng)水從彎管的噴嘴里噴射出來時,彎管自動旋轉(zhuǎn),大大增加了噴水的面積,請說明原理。要點(diǎn)提示:當(dāng)水從彎管的噴嘴里噴射出來時,水給彎管一個反作用力,彎管在這個反作用力下實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)。探究一探究二名師精講1.反沖運(yùn)動的三個特點(diǎn)(1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動。(2)反沖運(yùn)動中,相互作用力一般較大,通?？梢杂脛恿渴睾愣蓙硖幚?。(3)反沖運(yùn)動中,由于有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,所以系統(tǒng)的總動能增加。探究一探究二2.反沖運(yùn)動的處理方法(1)反沖運(yùn)動過程中系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零,滿足動量守恒的條件,可以用動量守恒定律分析解決問題。(2)反沖運(yùn)動過程中系統(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,也可以用動量守恒定律分析解決問題。(3)反沖運(yùn)動過程中系統(tǒng)雖然所受外力之和不為零,系統(tǒng)的動量并不守恒,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,則系統(tǒng)的動量在該方向上的分量保持不變,可以在該方向上用動量守恒分析解決問題。探究一探究二3.討論反沖運(yùn)動應(yīng)注意的三個問題(1)速度的方向性:對于原來靜止的整體,當(dāng)被拋出部分具有速度時,剩余部分的反沖是相對于拋出部分來說的,兩者運(yùn)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(yùn)動方向為正方向,則反方向的這一部分的速度就要取負(fù)值。(2)速度的相對性:反沖運(yùn)動的問題中,有時遇到的速度是相互作用的兩物體的相對速度。但是動量守恒定律中要求速度是對同一參考系的速度(通常為對地的速度)。因此應(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成對地的速度,再列動量守恒方程。(3)變質(zhì)量問題:在反沖運(yùn)動中還常遇到變質(zhì)量物體的運(yùn)動,如在火箭的運(yùn)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(jìn)行研究。探究一探究二反沖運(yùn)動過程中系統(tǒng)動量守恒,列動量守恒式的時候速度必須是相對同一參考系的。探究一探究二典例剖析【例題1】

一火箭噴氣發(fā)動機(jī)每次噴出m=200g的氣體,氣體離開發(fā)動機(jī)時速度v=1000m/s(相對地面),設(shè)火箭質(zhì)量m0=300kg,發(fā)動機(jī)每秒噴氣20次。當(dāng)?shù)谌螝怏w噴出后,火箭的速度多大?【思考問題】

(1)發(fā)動機(jī)每次噴出氣體后火箭的速度都會發(fā)生變化嗎?提示:每次噴出氣體后火箭的速度都會增加一些,需要逐次求出速度,一步一步去解題。(2)為簡化步驟,本題能將三次噴氣當(dāng)成一次去列式求解嗎?提示:由于每次噴氣相對地面的速度是相同的,因此可選整體為研究對象,運(yùn)用動量守恒來求解。探究一探究二解析:解法一:噴出氣體運(yùn)動方向與火箭運(yùn)動方向相反,系統(tǒng)動量可認(rèn)為守恒。答案:2m/s探究一探究二規(guī)律總結(jié)(1)火箭在運(yùn)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)換成對地的速度。(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(yùn)動方向是相反的。探究一探究二

變式訓(xùn)練1一質(zhì)量為m0的航天器遠(yuǎn)離太陽和行星,正以速度v0在太空中飛行,某一時刻航天器接到加速的指令后,發(fā)動機(jī)瞬間向后噴出質(zhì)量為m的氣體,氣體向后噴出的速度大小為v1,求加速后航天器的速度大小為

。(v0、v1均為相對同一參考系的速度)

探究一探究二反沖運(yùn)動的典型應(yīng)用——人船模型問題探究(1)兩位同學(xué)在公園里劃船,當(dāng)小船離碼頭大約1.5m左右時,有一位同學(xué)心想:自己在體育課上立定跳遠(yuǎn)的成績從未低過2m,跳到岸上絕對沒有問題,于是他縱身一躍,結(jié)果卻掉在水里,他為什么不能如他想的那樣跳上岸呢?(不計水的阻力)要點(diǎn)提示:因為他起跳時和船相互作用,給船一個向后的作用力,船后退,這樣他相對于岸的速度就小于起跳時相對于船的速度,因此會掉進(jìn)水里。探究一探究二(2)人在漂浮在水面上的小船上行走,小船同時向相反的方向運(yùn)動,把這個情景抽象成模型如下:如圖所示,長為l、質(zhì)量為m0的小船停在靜水中,一個質(zhì)量為m的人立在船頭,若不計水的阻力,當(dāng)人從船頭走到船尾的過程中,船和人相對地面的位移各是多少?探究一探究二探究一探究二名師精講1.“人船模型”問題的特征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.處理“人船模型”問題的關(guān)鍵(1)利用動量守恒,確定兩物體速度關(guān)系,再確定兩物體通過的位移的關(guān)系。由于動量守恒,所以任一時刻系統(tǒng)的總動量為零,動量守恒式可寫成m1v1=m2v2的形式(v1、v2為兩物體的瞬時速率),表明任意時刻的瞬時速率都與各物體的質(zhì)量成反比。所以全過程的平均速度也與質(zhì)量成反比。進(jìn)而可得兩物體的位移大小與各物體的質(zhì)量成反比,即探究一探究二(2)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。(3)適用條件:“人船模型”是利用平均動量守恒求解的一類問題。適用條件是①系統(tǒng)由兩個物體組成且相互作用前靜止,系統(tǒng)總動量守恒。②在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相對運(yùn)動的過程中至少有一個方向的動量守恒,注意兩物體的位移是相對同一參考系的位移?！叭舜Ｐ汀眴栴}中,兩物體的運(yùn)動特點(diǎn)是“人”走“船”行、“人”停“船”停。探究一探究二典例剖析【例題2】有一只小船停在靜水中,船上一人從船頭走到船尾。如果人的質(zhì)量m=60kg,船的質(zhì)量m0=120kg,船長為l=3m,則船在水中移動的距離是多少?水的阻力不計。探究一探究二【思考問題】

(1)選人船系統(tǒng)為研究對象,那么如何作出人在船上行走時的過程示意圖呢?提示:

(2)人從船頭走到船尾的過程中,系統(tǒng)動量守恒嗎?提示:系統(tǒng)動量守恒,人起步前系統(tǒng)的總動量為0,當(dāng)人加速前進(jìn)時,船加速后退,人停下來,船也停下來。探究一探究二答案:1m探究一探究二探究一探究二

變式訓(xùn)練2載人氣球靜止于高h(yuǎn)的空中,氣球的質(zhì)量為m0,人的質(zhì)量為m,若人沿繩梯滑至地面,則繩梯至少為多長?1231.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)動的原因是(

)A.燃料燃燒推動空氣,空氣反作用力推動火箭B.火箭發(fā)動機(jī)將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體向后噴出,氣體的反作用力推動火箭C.火箭吸入空氣,然后向后推出,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:火箭工作的原理是利用反沖運(yùn)動,是火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈴奈矅姽苎杆賴姵鰰r,使火箭獲得反沖速度,與周圍的空氣無關(guān),故答案為B選項。答案:B41232.如圖所示,一光滑地面上有一質(zhì)量為m0的足夠長的木板AB,一質(zhì)量為m的人站在木板的A端,關(guān)于人由靜止開始運(yùn)動到木板的B端(M、N表示地面上原A、B對應(yīng)的點(diǎn)),下列圖示正確的是(

)4123解析:根據(jù)動量守恒定律,m0、m系統(tǒng)動量守恒,對于題中的“人船模型”,各自對地的位移為xm0、xm,且有m0xm0=mxm,xm0+xm=l板長(有時也稱為平均動量守恒),以M點(diǎn)為參考,人向右運(yùn)動,船向左運(yùn)動,D圖是正確的。答案:D412343.(多選)一平板小車靜止在光滑的水平地面上,甲、乙兩人分別站在車上左、右兩端,當(dāng)兩人同時相向而行時,發(fā)現(xiàn)小車向左移動,則(

)A.若兩人質(zhì)量相等,必定v甲>v乙B.若兩人質(zhì)量相等,必定v甲<v乙C.若兩人速率相等,必定m甲>m乙D.若兩人速率相等,必定m甲<m乙解析:把甲、乙及小車看成一個系統(tǒng),系統(tǒng)動量守恒,開始時速度都是零,小車向左運(yùn)動,說明甲乙二人的合動量方向向右,根據(jù)題意,甲向右運(yùn)動,乙向左