2019-2020学年高中物理 第一章 碰撞与动量守恒 第3节 课时2 反冲现象与火箭的发射课件 教

课时2反冲现象与火箭的发射学习目标素养提炼1.了解反冲运动及反冲运动的典型事例．2.能够应用动量守恒定律解决反冲运动问题．3.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素.1个原理——反冲运动原理1个应用——火箭01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、反冲现象1．定义一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向的方向运动的现象．2．规律：反冲运动中，相互作用力一般较大，满足．相反动量守恒定律[思考]两位同学在公园里划船．租船时间将到，她们把小船划向码头．当小船离码头大约2m左右时停止．有一位同学心想：自己在体育课上立定跳远的成绩从未低于2m，跳到岸上绝对没有问题．于是她纵身一跳，结果却掉到了水里(如图)．她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？提示：这位同学与船组成的系统在不考虑水阻力的情况下，所受合外力为零，在她跳出前后遵循动量守恒定律，在她跳出瞬间，船也要向后运动．所以她跳出时相对地的速度比在地上起跳时速度小，不可能跳到岸上．二、火箭1．工作原理：利用运动，火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从喷管迅速喷出，使火箭获得巨大的向前的速度．2．影响火箭获得速度大小的两个因素(1)喷气速度：现代火箭的喷气速度为2000～4000m/s.(2)质量比：火箭起飞时的质量与燃料燃尽时的质量之比．喷气速度，质量比，火箭获得的速度越大．3．现代火箭的主要用途：利用火箭作为工具，如发射探测仪器、常规弹头和核弹头、人造卫星和宇宙飞船等．反冲尾部越大越大运载[判断辨析](1)火箭点火后离开地面加速向上运动，是地面对火箭的反作用力的结果．()(2)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前进．()×√要点一反冲运动的理解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，由于有其他形式的能转变为机械能，所以系统的总动能增加．2．反冲运动中可应用动量守恒定律的三种情况(1)系统不受外力或所受外力之和为零．(2)系统虽然受到外力作用，但内力远远大于外力，外力可以忽略．(3)系统虽然所受外力之和不为零，系统的动量并不守恒，但系统在某一方向上不受外力或外力在该方向上的分力之和为零，则系统的动量在该方向上的分量保持不变，可以在该方向上应用动量守恒定律．[典例1]反冲小车静止放在水平光滑玻璃上，点燃酒精，水蒸气将橡皮塞水平喷出，小车沿相反方向运动．如果小车原来的总质量M＝3kg，水平喷出的橡皮塞的质量m＝0.1kg，水蒸气质量忽略不计．(1)若橡皮塞喷出时获得的水平速度v＝2.9m/s，求小车的反冲速度；(2)若橡皮塞喷出时速度大小不变，方向与水平方向成60°角，小车的反冲速度又如何(小车一直在水平方向运动)?[解析](1)小车和橡皮塞组成的系统所受外力之和为零，初始状态系统总动量为零．以橡皮塞运动的方向为正方向根据动量守恒定律得mv＋(M－m)v′＝0则v′＝－mM－mv＝－0.13－0.1×2.9m/s＝－0.1m/s负号表示小车运动方向与橡皮塞运动的方向相反，反冲速度大小是0.1m/s.(2)小车和橡皮塞组成的系统水平方向动量守恒．以橡皮塞运动的水平分运动方向为正方向，有mvcos60°＋(M－m)v″＝0v″＝－mvcos60°M－m＝－0.1×2.9×0.53－0.1m/s＝－0.05m/s负号表示小车运动方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反，反冲速度大小是0.05m/s.[答案](1)0.1m/s，方向与橡皮塞运动的方向相反(2)0.05m/s，方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反1．一个静止的质量为M的不稳定原子核，当它放射出质量为m、速度为v的粒子后，原子核剩余部分的速度为()A．－vB.－mvM－mC.－mvm－MD.－mvM解析：以原子核为一系统，放射过程中由动量守恒定律得(M－m)v′＋mv＝0，所以v′＝－mvM－m.答案：B要点二火箭的工作原理分析[探究导入]1.火箭飞行的工作原理是什么？答案：火箭靠向后连续喷射高速气体飞行，利用了反冲原理．2．设火箭发射前的总质量是M，燃料燃尽后的质量为m，火箭燃气的喷射速度为v，试求燃料燃尽后火箭飞行的最大速度v′.答案：在火箭发射过程中，由于内力远大于外力，所以可认为动量守恒．取火箭的速度方向为正方向，发射前火箭的总动量为0，发射后的总动量为mv′－(M－m)v则由动量守恒定律得0＝mv′－(M－m)v所以v′＝M－mmv＝(Mm－1)v.1．火箭喷气属于反冲类问题，是动量守恒定律的重要应用．2．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．[典例2]在发射火箭时，火箭的喷气发动机每次喷出m＝200g的气体，气体离开发动机被喷出时的速度v＝1000m/s(相对地面)，设火箭的质量M＝30kg，发动机每秒喷气20次．求当第三次气体喷出后火箭的速度．(不考虑空气阻力和重力的影响)[思路点拨]在不考虑地球引力及空气阻力的作用下火箭与气体组成的系统动量守恒．[解析]解法一喷出气体的运动方向与火箭的运动方向相反，系统动量守恒．第一次气体喷出后，火箭速度为v1，有(M－m)v1－mv＝0，所以v1＝mvM－m；第二次气体喷出后，火箭速度为v2，有(M－2m)v2－mv＝(M－m)v1,所以v2＝2mvM－2m；第三次气体喷出后，火箭速度为v3，有(M－3m)v3－mv＝(M－2m)v2，所以v3＝3mvM－3m＝3×0.2×100030－3×0.2m/s≈20m/s.解法二选取整体为研究对象，运用动量守恒定律求解．设喷出三次气体后火箭的速度为v3，以火箭和喷出的三次气体为研究对象，据动量守恒定律得(M－3m)v3－3mv＝0，所以v3＝3mvM－3m≈20m/s.[答案]20m/s2．将质量为1.00kg的模型火箭点火升空，50g燃烧的燃气以大小为600m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出．在燃气喷出后的瞬间，火箭的动量大小为(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)()A．30kg·m/sB．5.7×102kg·m/sC．6.0×102kg·m/sD．6.3×102kg·m/s解析：燃气从火箭喷口喷出的瞬间，火箭和燃气组成的系统动量守恒，设燃气喷出后的瞬间，火箭的动量大小为p，根据动量守恒定律，可得p－mv0＝0，解得p＝mv0＝0.050kg×600m/s＝30kg·m/s，选项A正确．答案：A要点三反冲运动的应用——“人船模型”1．“人船模型”问题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之比等于质量的反比．这样的问题归为“人船模型”问题．2．人船模型的特点(1)两物体满足动量守恒定律：m1v1－m2v2＝0.(2)运动特点：人动船动，人停船停，人快船快，人慢船慢，人左船右；人船位移比等于它们质量的反比；人船平均速度(瞬时速度)比等于它们质量的反比，即x1x2＝v1v2＝m2m1.(3)应用此关系时要注意一个问题：公式中的v1、v2和x一般都是相对地面而言的．[典例3]有一只小船停在静水中，船上一人从船头走到船尾．如果人的质量m＝60kg，船的质量M＝120kg，船长为l＝3m，则船在水中移动的距离是多少？(水的阻力不计)[解析]人在船上走时，由于人、船组成的系统所受合外力为零，总动量守恒，因此系统的平均动量也守恒，运动情景如图所示．设人从船头走到船尾所用时间为t，在这段时间内船后退的距离为x，人相对地面运动的距离为l－x，选船后退的方向为正方向，由动量守恒定律有：Mxt－ml－xt＝0所以x＝mM＋ml＝60120＋60×3m＝1m.[答案]1m[总结提升]“人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题，解决这类问题应明确：(1)适用条件：①系统由两个物体组成且相互作用前静止，系统总动量为零；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(如水平方向或竖直方向)．(2)画草图：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，注意两物体的位移是相对同一参考系的位移．3．质量为M的热气球吊筐中有一质量为m的人，它们共同静止在距地面为h的高空中．现从气球上放下一根质量不计的软绳，为使此人沿软绳能安全滑到地面，则软绳至少有多长？解析：如图所示，设绳长为L，人沿软绳滑至地面的时间为t，由图可知，L＝x人＋x球．设人下滑的平均速度为v人，气球上升的平均速度为v球，以向上为正方向，由动量守恒定律得0＝Mv球－mv人，即0＝Mx球t－mx人t，0＝Mx球－mx人，又有x人＋x球＝L，x人＝h，解以上各式得L＝M＋mMh.答案：M＋mMh1．(反冲运动的认识)下列不属于反冲运动的是()A．喷气式飞机的运动B．直升机的运动C．火箭的运动D．章鱼的运动答案：B2．(反冲运动的计算)步枪的质量为4.1kg，子弹的质量为9.6g，子弹从枪口飞出时的速度为855m/s，步枪的反冲速度约为()A．2m/sB．1m/sC．3m/sD．4m/s解析：以子弹从枪口飞出时速度的反方向为正方向，由动量守恒定律得Mv1－mv2＝0，则v1＝9.6×10－3×8554.1m/s≈2m/s.答案：A3．(爆炸问题)(多选)向空中发射一物体，不计空气阻力，当此物体的速度恰好沿水平方向时，物体炸裂成a、b两块，若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向，则()A．b的速度方向一定与原速度方向相反B．从炸裂到落地的这段时间里，a飞行的水平距离一定比b的大C．a、b一定同时到达水平地面D．在炸裂过程中，a、b受到的力大小一定相等解析：爆炸后系统的总机械能增加，但不能确定a、b两块的速度大小及b块的速度方向，所以A、B不能确定；因炸开后两者都做平抛运动，且高度相同，故C对；由牛顿第三定律知D对．答案：CD4．(人船模型的迁移)质量为m、半径为R的小球，放在半径为2R、质量为2m的大空心球内，大球开始静止在光滑水平面上．当小球从如图所示的位置无初速度沿内壁滚到最低点时，大球移动的距离是()A.R2B．R3C.R4D.R6解析：由水平方向平均动量守恒有mx小球＝2mx大球，又x小球＋x大球＝R，所以x大球＝13R，B正确．答案：B