2024-2025學(xué)年新教材高中物理第1章動(dòng)量守恒定律6反沖現(xiàn)象火箭學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊(cè)

PAGE8-6.反沖現(xiàn)象火箭學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]通過(guò)學(xué)習(xí)了解反沖運(yùn)動(dòng)和反沖運(yùn)動(dòng)在生活中的應(yīng)用．2.[科學(xué)思維]通過(guò)實(shí)例分析，能夠應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決反沖運(yùn)動(dòng)問(wèn)題．3.[科學(xué)思維]通過(guò)學(xué)習(xí)和課外閱讀，知道火箭的飛行原理，了解我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展．☆閱讀本節(jié)教材，回答第24頁(yè)“問(wèn)題”并梳理必要學(xué)問(wèn)點(diǎn)．教材第24頁(yè)問(wèn)題提示：反沖原理，章魚游泳類似于火箭的放射，靠向后噴水的反作用力使自己前進(jìn)．一、反沖現(xiàn)象1．定義依據(jù)動(dòng)量守恒定律，假如一個(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)，另一部分必定向相反的方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象叫作反沖．2．反沖原理反沖運(yùn)動(dòng)的基本原理是動(dòng)量守恒定律，假如系統(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．利用動(dòng)量守恒定律解決反沖問(wèn)題時(shí)，速度通常是以地面為參考系的速度，而不是系統(tǒng)內(nèi)兩物體的相對(duì)速度．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(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．1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)做反沖運(yùn)動(dòng)的兩部分的動(dòng)量肯定大小相等，方向相反． (√)(2)章魚、烏賊的運(yùn)動(dòng)利用了反沖的原理． (√)(3)火箭點(diǎn)火后離開(kāi)地面對(duì)上運(yùn)動(dòng)，是地面對(duì)火箭的反作用力作用的結(jié)果． (×)(4)在沒(méi)有空氣的宇宙空間，火箭仍可加速前行． (√)(5)火箭放射時(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． (√)2．運(yùn)輸人造地球衛(wèi)星的火箭起先工作后，火箭做加速運(yùn)動(dòng)的緣由是()A．燃料推動(dòng)空氣，空氣反作用力推動(dòng)火箭B．火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)火箭C．火箭吸入空氣，然后向后排出，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，加熱四周空氣，空氣膨脹推動(dòng)火箭B[火箭工作中，動(dòng)量守恒，當(dāng)向后噴氣時(shí)，則火箭受一向前的推力從而使火箭加速，故只有B正確．]3．(多選)2024年春節(jié)上映的國(guó)產(chǎn)科幻大片《流浪地球》中有這樣的情節(jié)：為了自救，人類提出一個(gè)名為“流浪地球”的大膽安排，即傾全球之力在地球表面建立上萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)地球離開(kāi)太陽(yáng)系，用2500年的時(shí)間奔往另外一個(gè)棲息之地．這個(gè)科幻情節(jié)中有反沖運(yùn)動(dòng)的原理．現(xiàn)實(shí)中的下列運(yùn)動(dòng)，屬于反沖運(yùn)動(dòng)的有()A．汽車的運(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)CD[汽車的運(yùn)動(dòng)利用了汽車的牽引力，不屬于反沖運(yùn)動(dòng)，故A錯(cuò)誤；直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)利用了空氣的反作用力，不屬于反沖運(yùn)動(dòng)，故B錯(cuò)誤；火箭的運(yùn)動(dòng)是利用噴氣的方式獲得動(dòng)力的，屬于反沖運(yùn)動(dòng)，故C正確；反擊式水輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)利用了水的反沖作用而獲得動(dòng)力，屬于反沖運(yùn)動(dòng)，故D正確．]對(duì)反沖運(yùn)動(dòng)的理解取一只藥瓶或一個(gè)一端有孔的蛋殼，在其蓋上鉆一小孔(瓶蓋與瓶子需密封)，再取一塊厚泡沫塑料，參照?qǐng)D做成船的樣子，并在船上挖一凹坑，以容納盛酒精的容器(可用金屬瓶蓋)．用兩段鐵絲，彎成環(huán)狀以套住瓶的兩端，并將鐵絲的端頭分別插入船中．將一棉球放入容器中，并倒入少量酒精，在瓶中裝入半瓶開(kāi)水．將船放入水中，點(diǎn)燃酒精棉球后一會(huì)兒產(chǎn)生水蒸氣，當(dāng)水蒸氣從藥瓶蓋的孔中噴出時(shí)，小船便能勇往直前了．小船向前運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了什么物理原理？提示：反沖原理．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)在反沖運(yùn)動(dòng)中，相互作用力一般較大，通?？梢杂脛?dòng)量守恒定律來(lái)處理．(3)在反沖運(yùn)動(dòng)中，由于有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以系統(tǒng)的總動(dòng)能增加．2．反沖運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用與防止(1)利用有益的反沖運(yùn)動(dòng)反擊式水輪機(jī)是使水從轉(zhuǎn)輪的葉片中流出，使轉(zhuǎn)輪由于反沖而旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；噴氣式飛機(jī)和火箭都是靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度．(2)避開(kāi)有害的反沖運(yùn)動(dòng)射擊時(shí)，子彈向前飛去，槍身向后發(fā)生反沖，這就會(huì)影響射擊精確性等．3．處理反沖運(yùn)動(dòng)應(yīng)留意的問(wèn)題(1)速度的方向?qū)τ谠瓉?lái)靜止的整體，拋出部分與剩余部分的運(yùn)動(dòng)方向必定相反．在列動(dòng)量守恒方程時(shí)，可隨意規(guī)定某一部分的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，則反方向的速度應(yīng)取負(fù)值．(2)相對(duì)速度問(wèn)題在反沖運(yùn)動(dòng)中，有時(shí)遇到的速度是兩物體的相對(duì)速度．此類問(wèn)題中應(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．(3)變質(zhì)量問(wèn)題如在火箭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，此時(shí)必需取火箭本身和在相互作用的短時(shí)間內(nèi)噴出的全部氣體為探討對(duì)象，取相互作用的這個(gè)過(guò)程為探討過(guò)程來(lái)進(jìn)行探討．【例1】反沖小車靜止放在水平光滑玻璃上，點(diǎn)燃酒精，蒸汽將橡皮塞水平噴出，小車沿相反方向運(yùn)動(dòng)．假如小車運(yùn)動(dòng)前的總質(zhì)量M＝3kg，水平噴出的橡皮塞的質(zhì)量m＝0.1kg.(1)若橡皮塞噴出時(shí)獲得的水平速度v＝2.9m/s，求小車的反沖速度；(2)若橡皮塞噴出時(shí)速度大小不變，方向與水平方向成60°角，小車的反沖速度又如何(小車始終在水平方向運(yùn)動(dòng))?思路點(diǎn)撥：(1)小車和橡皮塞組成的系統(tǒng)所受外力之和為零，系統(tǒng)總動(dòng)量為零．(2)小車和橡皮塞組成的系統(tǒng)在水平方向動(dòng)量守恒．[解析](1)以橡皮塞運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)檎较?，依?jù)動(dòng)量守恒定律有mv＋(M－m)v′＝0v′＝－eq\f(m,M－m)v＝－eq\f(0.1,3－0.1)×2.9m/s＝－0.1m/s負(fù)號(hào)表示小車的運(yùn)動(dòng)方向與橡皮塞運(yùn)動(dòng)的方向相反．(2)以橡皮塞運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，有mvcos60°＋(M－m)v″＝0v″＝－eq\f(mvcos60°,M－m)＝－eq\f(0.1×2.9×0.5,3－0.1)m/s＝－0.05m/s負(fù)號(hào)表示小車的運(yùn)動(dòng)方向與橡皮塞運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)的方向相反．[答案](1)0.1m/s，方向與橡皮塞運(yùn)動(dòng)的方向相反(2)0.05m/s，方向與橡皮塞運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)的方向相反反沖運(yùn)動(dòng)和碰撞、爆炸有相像之處，相互作用力常為變力，且作用力大，一般都滿意內(nèi)力?外力，所以反沖運(yùn)動(dòng)可用動(dòng)量守恒定律來(lái)處理.eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．如圖所示，自動(dòng)火炮連同炮彈的總質(zhì)量為M，當(dāng)炮管水平，火炮車在水平路面上以v1的速度向右勻速行駛中，放射一枚質(zhì)量為m的炮彈后，自動(dòng)火炮的速度變?yōu)関2，仍向右行駛，則炮彈相對(duì)炮筒的放射速度v0為()A.eq\f(mv1－v2＋mv2,m) B.eq\f(Mv1－v2,m)C.eq\f(Mv1－v2＋2mv2,m) D.eq\f(Mv1－v2－mv1－v2,m)B[炮彈相對(duì)地的速度為v0＋v2.由動(dòng)量守恒定律得Mv1＝(M－m)v2＋m(v0＋v2)，得v0＝eq\f(Mv1－v2,m).]火箭教材第25頁(yè)[思索與探討]答案提示：以飛船為參考系，設(shè)小物體的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较颍瑒t小物體的動(dòng)量的變更量為Δp1＝Δmu對(duì)人和小物體組成的系統(tǒng)，在人拋出小物體的過(guò)程中動(dòng)量守恒，則由動(dòng)量守恒定律得0＝Δp1＋Δp2，則人的動(dòng)量的變更量為Δp2＝－Δp1＝－Δmu.設(shè)人的速度的變更量為Δv，因?yàn)棣2＝mΔv，則由以上表達(dá)式可知Δv＝－eq\f(Δmu,m).古代的火箭我國(guó)早在宋代就獨(dú)創(chuàng)了火箭，在箭桿上捆一個(gè)前端封閉的火藥筒，火藥點(diǎn)燃后生成的燃?xì)庖院艽蟮乃俣认蚝髧姵?，火箭就?huì)向前運(yùn)動(dòng)．請(qǐng)思索：(1)古代火箭的運(yùn)動(dòng)是否為反沖運(yùn)動(dòng)？(2)火箭飛行利用了怎樣的工作原理？提示：(1)火箭的運(yùn)動(dòng)是反沖運(yùn)動(dòng)．(2)火箭靠向后連續(xù)噴射高速氣體飛行，利用了反沖原理．1．工作原理應(yīng)用反沖運(yùn)動(dòng)，其反沖過(guò)程動(dòng)量守恒．它靠向后噴出的氣流的反沖作用而獲得向前的速度．2．影響火箭最終速度大小的因素(1)噴氣速度：現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度約為2000～5000m/s.(2)火箭的質(zhì)量比：指火箭起飛時(shí)的質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(zhì)量之比．現(xiàn)代火箭的質(zhì)量比一般小于10.噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大．3．火箭噴氣屬于反沖類問(wèn)題，是動(dòng)量守恒定律的重要應(yīng)用．在火箭運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，對(duì)于這一類的問(wèn)題，可選取火箭本身和在相互作用的時(shí)間內(nèi)噴出的全部氣體為探討對(duì)象，取相互作用的整個(gè)過(guò)程為探討過(guò)程，運(yùn)用動(dòng)量守恒的觀點(diǎn)解決問(wèn)題．【例2】一火箭的噴氣發(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)火箭的質(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，火箭的速度為多大？思路點(diǎn)撥：火箭噴氣屬反沖現(xiàn)象，火箭和氣體組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，運(yùn)用動(dòng)量守恒定律求解．[解析]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探討對(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火箭類反沖問(wèn)題解題要領(lǐng)1．兩部分物體初、末狀態(tài)的速度的參考系必需是同一參考系，且一般以地面為參考系．2．要特殊留意反沖前、后各物體質(zhì)量的變更．3．列方程時(shí)要留意初、末狀態(tài)動(dòng)量的方向，一般而言，反沖后兩物體的運(yùn)動(dòng)方向是相反的．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．總質(zhì)量為M的火箭以速度v0飛行，質(zhì)量為m的燃?xì)庀鄬?duì)于火箭以速率u向后噴出，則火箭的速度大小為()A．v0＋eq\f(mu,M) B．v0－eq\f(mu,M)C．v0＋eq\f(m,M－m)(v0＋u) D．v0＋eq\f(mu,M－m)A[設(shè)噴出氣體后火箭的速度大小為v，則燃?xì)獾膶?duì)地速度為(v－u)(取火箭的速度方向?yàn)檎较?，由動(dòng)量守恒定律，得Mv0＝(M－m)v＋m(v－u)解得v＝v0＋eq\f(mu,M)，A項(xiàng)正確．]1．物理觀念：反沖運(yùn)動(dòng)的概念．2．科學(xué)思維：應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決反沖運(yùn)動(dòng)．3．科學(xué)探究：通過(guò)試驗(yàn)探究，相識(shí)反沖運(yùn)動(dòng)．

1．下列圖片所描述的事例或應(yīng)用中，沒(méi)有利用反沖運(yùn)動(dòng)原理的是()D[噴灌裝置是利用水流噴出時(shí)的反沖作用而運(yùn)動(dòng)的，章魚在水中前行和轉(zhuǎn)向利用了噴出的水的反沖作用，火箭放射是利用噴氣的方式而獲得動(dòng)力的，利用了反沖運(yùn)動(dòng)，故A、B、C不符合題意；碼頭邊輪胎的作用是延長(zhǎng)碰撞時(shí)間，從而減小作用力，沒(méi)有利用反沖作用，故D符合題意．]2．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(gè)人拋出一個(gè)籃球，另一人接球后再拋回．如此反復(fù)進(jìn)行幾次后，甲和乙最終的速率關(guān)系是()A．若甲最先拋球，則肯定是v甲>v乙B．若乙最終接球，則肯定是v甲>v乙C．只有甲先拋球，乙最終接球，才有v甲>v乙D．無(wú)論怎樣拋球和接球，都是v甲>v乙B[因甲、乙及籃球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，故最終甲、乙以及籃球的動(dòng)量之和必為零．依據(jù)動(dòng)量守恒定律有m1v1＝(m2＋m球)v2，因此最終誰(shuí)接球誰(shuí)的速度小，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤．]3．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(shí)對(duì)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.eq\f(m2,m1)v0 B.eq\f(m2v0,m1－m2)C.eq\f(m2v0cosθ,m1－m2) D.eq\f(m2v0cosθ,m1)C[炮彈和火炮組成的系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，0＝m2v0cosθ－(m1－m2)v，得v＝eq\f(m2v0cosθ,m1－m2)，選項(xiàng)C正確．]4．(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(dāng)車與地面摩擦不計(jì)時(shí)，那么()A．人在車上行走，若人相對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的距離相同AD[由于地面光滑，則人與車組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒得：mv人＝Mv車，可知A正確；設(shè)車長(zhǎng)為L(zhǎng)，由m(L－x車)＝Mx車得，x車＝eq\f(m,M＋m)L，車在地面上移動(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．]5．[思維拓展]在光滑的冰面上，放置一個(gè)截面為四分之一圓的半徑足夠大的光滑自由曲面，一個(gè)坐在冰車上的小孩手扶一小球靜止在冰面上．某時(shí)刻小孩將小球以v0的速度向曲面推出，如圖所示．已知小孩和冰車的總質(zhì)量為m1＝40