2019-2020学年高中物理 第十六章 5 反冲运动 火箭课件 新人教版选修3-5

5反冲运动火箭1.知道什么是反冲运动,会应用动量守恒定律分析解决有关反冲运动的问题。2.知道火箭的飞行原理及其主要用途。3.了解航天技术的发展和宇宙航行。一二一、反冲运动1.定义:如果一个静止的物体在内力的作用下分裂为两个部分,一部分向某个方向运动,另一部分必然向相反的方向运动。这个现象叫作反冲。2.遵循的规律:反冲运动是系统内力作用的结果,虽然有时系统所受的合外力不为零,但由于系统内力远远大于外力,所以系统的总动量可看作是守恒的。3.反冲现象的应用及防止。(1)应用:农田、园林的喷灌装置是利用反冲使水从喷口喷出时,一边喷水一边旋转。(2)防止:开枪射击时,由于枪身的反冲会影响射击的准确性,所以用步枪射击时要把枪身抵在肩部,以减少反冲的影响。一二二、火箭1.工作原理:利用反冲运动,火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾喷管迅速喷出时,使火箭获得巨大的速度。2.影响火箭获得速度大小的因素。(1)喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度约为2000~4000m/s。(2)质量比:指火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比。喷气速度越大,质量比越大,火箭获得的速度越大。假如在月球上建一飞机场,应配置喷气式飞机还是螺旋桨飞机呢?提示：应配置喷气式飞机。喷气式飞机利用反冲运动原理,可以在真空中飞行,而螺旋桨飞机是靠转动的螺旋桨与空气的相互作用力飞行的,不能在真空中飞行。一二一、对反冲运动的理解1.反冲运动的特点。(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。(2)反冲运动中,相互作用的内力一般远大于外力,所以可以用动量守恒定律来处理。(3)反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的总动能增加。一二2.讨论反冲运动时应注意的问题。(1)速度的相对性:解决反冲运动的问题时,有时遇到的速度是相互作用的两物体的相对速度。由于动量守恒定律中要求速度为相对同一参考系的速度(通常为对地的速度),因此应先将相对速度转换成对地的速度后,再列动量守恒定律方程。(2)变质量问题:在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动,如在火箭的运动过程中,随着燃料的消耗,火箭本身的质量不断减小,此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间内喷出的所有气体为研究对象,取相互作用的这个过程为研究过程进行研究。一二二、反冲运动中的“人船模型”1.“人船模型”问题的特征。两个原来静止的物体发生相互作用时,若所受外力的矢量和为零,则动量守恒。在相互作用的过程中,任一时刻两物体的速度大小与其质量成反比。这样的问题归为“人船模型”问题。2.处理“人船模型”问题的关键。(1)利用动量守恒,确定两物体速度关系,再确定两物体通过的位移的关系。由于动量守恒,所以任一时刻系统的总动量为零(系统原来处于静止状态),动量守恒式可写成m1v1=m2v2的形式(v1、v2为两物体的瞬时速率),表明任意时刻的瞬时速率都与各物体的质量成反比。所以全过程的平均速度也与质量成反比,进而可得两物体的位移大小与各物体的质量成反比,即𝑥1𝑥2=𝑚2𝑚1。一二(2)解题时要画出各物体的位移关系草图,找出各长度间的关系。(3)适用条件。“人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题。适用条件:①系统由两个初态均静止的物体组成且系统总动量守恒。②在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒,注意两物体的位移是相对同一参考系(一般为地面)的位移。这一模型,还可进一步推广到其他类似的现象中,从而解决大量的实际问题,例如人沿着静止在空中的热气球下面的软梯滑下或攀上,求气球上升或下降高度的问题;小球沿弧形槽滑下,求弧形槽移动距离的问题等。类型一类型二类型三反冲运动的理解与应用【例题1】(1)(多选)下列现象中属于反冲运动的是()A.喷气式飞机的运动B.直升机的运动C.火箭的运动D.反击式水轮机的转动E.子弹射出后,枪身的后退(2)一个静止的质量为m1的不稳定原子核,当它放射出质量为m2、速度为v的粒子后,原子核剩余部分的速度变为多少?点拨:反冲运动遵守动量守恒定律。类型一类型二类型三解析:(1)直升机是靠空气的推力上升的,而喷气式飞机、火箭、反击式水轮机、枪(含子弹)都是靠自身一部分分离时的反冲向相反方向运动的。(2)原来静止的原子核,当其一部分以速度v运动,剩余部分将向反方向运动,即做反冲运动。由反冲原理得0=m2v+(m1-m2)v',v'=−𝑚2𝑣𝑚1-𝑚2。答案:(1)ACDE(2)𝑚2𝑣𝑚1-𝑚2,与𝑣的方向相反题后反思(1)固体、液体和气体都能发生反冲运动。(2)一切反冲运动都遵循动量守恒定律。触类旁通在例题1(2)中,系统增加的机械能是多少?答案:𝑚1𝑚2𝑣22(𝑚1-𝑚2)类型一类型二类型三平均动量守恒——人船模型【例题2】如图所示,长为l、质量为m的小船停在静水中,一个质量为m'的人站在船头,若不计水的阻力,在人从船头走到船尾的过程中,小船对地的位移是多少?点拨:人船平均动量的矢量和为零,用位移替代平均速度,建立位移关系求解。类型一类型二类型三解析:如图所示,人和小船组成的系统在水平方向不受外力,动量守恒。假设某一时刻小船和人对地的速度分别为v1、v2,由于原来处于静止状态,因此0=mv1-m'v2,即m'v2=mv1由于相对运动过程中的任意时刻,人和小船的速度都满足上述关系,故它们在这一过程中平均速率也满足这一关系,即m′𝑣2=𝑚𝑣1,等式两边同乘运动的时间t,得m′𝑣2𝑡=𝑚𝑣1𝑡,即m'x2=mx1又因x1+x2=l,因此有x1=𝑚'𝑙𝑚'+𝑚。答案:𝑚'𝑙𝑚'+𝑚题后反思“人船模型”是一类题目的缩影,其他的如:人在光滑水平面上的平板车上行走;放在光滑水平面上的斜劈上的木块下滑等都可用此模型处理。类型一类型二类型三触类旁通例题2中,人对地的位移是多少?答案:𝑚𝑙𝑚'+𝑚类型一类型二类型三“火箭”问题【例题3】某小型火箭喷气发动机每次喷出m=200g的气体,喷出气体相对于地面的速度为v0=1000m/s。设火箭的初始质量m'=300kg,发动机每秒喷气20次,在不考虑地球引力及空气阻力的情况下,火箭发动机1s末的速度是多大?点拨:可以把20次喷气等效为一次喷气处理,用动量守恒定律求解。解析:选火箭和1s内喷出的气体为研究对象,设火箭1s末的速度为v,1s内共喷出的气体的质量为20m,选火箭前进的方向为正方向,由动量守恒定律,得(m'-20m)v-20mv0=0,解得v=20𝑚𝑣0𝑚'-20𝑚=20×0.2×1000300-20×0.2m/s≈13.5m/s故火箭1s末的速度为13.5m/s。答案:13.5m/s类型一类型二类型三题后反思分析火箭类问题应注意的三个问题。(1)火箭在运动过程中,随着燃料的燃烧,火箭本身的质量不断减小,故在应用动量守恒定律时,必须取在同一相互作用时间内的火箭和喷出的气体为研究对象。注意反冲前、后各物体质量的变化。(2)明确两部分物体初、末状态的速度的参考系是否为同一参考系,如果不是同一参考系要设法予以调整,一般情况要转换成对地的速度。(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向。反冲物体速度的方向与原物体的运动方向是相反的。触类旁通在例题3中,经多长时间,火箭的速度变为8×103m/s?答案:66.7s