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

5反冲运动火箭学习目标素养提炼1.理解反冲运动原理，会应用动量守恒定律解决有关反冲运动的问题．2.知道火箭的工作原理及其应用．3.了解航天技术的发展和宇宙航行.物理观念：反冲运动．科学思维：动量守恒定律在人船模型中的应用．科学探究：火箭的工作原理.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、反冲运动1．定义：一个静止的物体在的作用下分裂为两部分，一部分向某一个方向运动，另一部分必然向的方向运动的现象．2．特点(1)物体的不同部分在作用下向相反方向运动．(2)反冲运动中，相互作用力一般较大，通常可以用来处理．内力相反内力动量守恒定律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．(2)防止：用枪射击时，由于枪身的反冲会影响射击的，所以用步枪射击时要把枪身抵在，以减少反冲的影响．旋转准确性肩部二、火箭1．工作原理：利用运动，火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾部喷管迅速喷出，使火箭获得巨大速度．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火箭除燃料外的箭体质量之比．喷气越大，越大，火箭获得的速度越大．3．用途：主要用来发射探测仪器、常规弹头或核弹头、人造卫星或宇宙飞船，是宇宙航行的运载工具．反冲速度质量比[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作用的结果．()(2)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行．()(3)火箭获得的速度仅与喷气的速度有关．()(4)做反冲运动的两部分的动量一定大小相等，方向相反．()(5)火箭发射时，火箭获得的机械能来自燃料燃烧释放的化学能．()×√×√√要点一对反冲运动的理解[探究导入]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：喷气式飞机是靠喷出自身携带的气体而做反冲运动的；螺旋桨飞机是靠螺旋桨转动时桨面与周围的空气发生相互作用而获得提升力的．因为月球上没有气体，故螺旋桨飞机不能工作，只能配置喷气式飞机．1．反冲运动的三个特点(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情况下远大于外力，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．2．讨论反冲运动应注意的三个问题(1)速度的方向对于原来静止的整体，抛出部分与剩余部分的运动方向必然相反．在列动量守恒方程时，可任意规定某一部分的运动方向为正方向，则反方向的另一部分的速度应取负值．(2)相对速度问题在反冲运动中，有时遇到的速度是两物体的相对速度．此类问题中应先将相对速度转换成对地的速度后，再应用动量守恒定律列方程．(3)变质量问题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来进行研究．[特别提醒](1)内力的存在，不会影响系统的动量守恒．(2)内力做的功往往会改变系统的总动能．(3)要明确反冲运动对应的过程，弄清初、末状态的速度大小和方向的对应关系．[典例1]一个质量为m的物体从高处自由下落，当物体下落h时突然炸裂成两块，其中质量为m1的一块恰好能沿竖直方向回到开始下落的位置，求刚炸裂时另一块的速度v2.[思路点拨]以炸裂时分裂成的质量分别为m1和(m－m1)的两块组成的系统为研究对象，在炸裂的这一极短的时间内，系统受到的合外力即重力并不为零，但炸裂时的爆炸力远大于系统的重力，系统在竖直方向的动量可认为近似守恒．[解析]取竖直向下的方向为正方向，炸裂前的两部分是一个整体，爆炸前瞬间物体的速度为v＝2gh.刚炸裂结束时向上运动并返回出发点的一块，其速度大小与炸裂前相同，方向与规定的正方向相反，v1＝－2gh由动量守恒定律有mv＝m1v1＋(m－m1)v2代入解得：v2＝m＋m1m－m12gh由于v2＞0，说明炸裂后另一块的运动方向竖直向下．[答案]m＋m1m－m12gh，方向竖直向下[总结提升]爆炸只发生在一瞬间，也只有在这一瞬间，系统的内力才远远大于系统所受的合外力，总动量近似守恒，如果爆炸结束，巨大的内力已经不存在了，系统的总动量不再守恒，明确这一研究阶段的始、末状态，是求解这类问题的关键．1．“爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏”，爆竹声响是辞旧迎新的标志，是喜庆心情的流露．有一个质量为3m的爆竹斜向上抛出，到达最高点时速度大小为v0、方向水平向东，在最高点爆炸成质量不等的两块，其中一块质量为2m，速度大小为v，方向水平向东，则另一块的速度是()A．3v0－vB．2v0－3vC．3v0－2vD．2v0＋v解析：在最高点水平方向动量守恒，以水平向东为正方向，由动量守恒定律可知，3mv0＝2mv＋mv′，可得另一块的速度为v′＝3v0－2v，故C正确．答案：C2．如图所示是一门旧式大炮，炮车和炮弹的质量分别是M和m，炮筒与地面的夹角为α，炮弹射出出口时相对于地面的速度为v0.不计炮车与地面的摩擦，求炮车向后反冲的速度的大小．解析：取炮弹与炮车组成的系统为研究对象，因不计炮车与地面的摩擦，所以水平方向动量守恒．炮弹发射前，系统的总动量为零，炮弹发射后，炮弹的水平分速度为v0cosα，设v0的水平方向为正方向，根据动量守恒定律有mv0cosα－Mv＝0，所以炮车向后反冲的速度大小为v＝mv0cosαM.答案：mv0cosαM要点二反冲运动的典型应用——“人船模型”[探究导入]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，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？(假设起跳时船已静止)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．她在跳出瞬间，船要向后运动，使该同学对地速度减小，跳出的距离变小．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之比等于质量的反比．这样的问题归为“人船模型”问题．2．处理“人船模型”问题的两个关键步骤(1)利用动量守恒，先确定两物体的速度关系，再确定两物体通过的位移的关系．用动量守恒定律求位移的题目，大都是系统原来处于静止状态，然后系统内物体相互作用，此时动量守恒表达式经常写成m1v1－m2v2＝0的形式，式中v1、v2是m1、m2末状态时的瞬时速率．此种状态下动量守恒的过程中，任意时刻的系统总动量为零，因此任意时刻的瞬时速率v1和v2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，即有m1v1－m2v2＝0.如果两物体相互作用的时间为t，在这段时间内两物体的位移大小分别为x1和x2，则有m1x1t－m2x2t＝0，即m1x1－m2x2＝0.(2)解题时要画出各物体的位移关系草图，找出它们各自相对地面的位移关系．[特别提醒](1)“人船模型”问题中，两物体的运动特点是：“人”走“船”行，“人”停“船”停．(2)问题中的“船长”通常理解为“人”相对“船”的位移，而在求解过程中应讨论的是“人”及“船”相对地面的位移，即相对于同一参照物的位移．[典例2]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，当人从船头走到船尾的过程中，小船和人对地的位移各是多少？[思路点拨]此类题目中涉及的是总动量为零的系统．相互作用的两个物体原来都处于静止，作用后处于运动状态，而总动量始终为零．利用这一点我们可以解决涉及位移的问题，即由m1v1－m2v2＝0可以推出m1x1－m2x2＝0.使用此式解题时，应注意式中的x应相对同一参考系．人船模型是这类问题中的典型，且不管人在船上怎样运动，匀速或加速，结果都是一样的．另外，解这类涉及位移的问题时，作出初、末状态的示意图是非常必要的．[解析]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，由于系统原来处于静止状态，因此0＝Mv1－mv2，即mv2＝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mv2＝Mv1，等式两边同乘运动的时间t，得mv2t＝Mv1t，即mx2＝Mx1，又因x1＋x2＝l，因此有x1＝mlm＋M，x2＝Mlm＋M.[答案]mlm＋MMlm＋M[总结提升]人在船上运动的过程是比较复杂的，但我们可以用平均速度来代替全程的速度，进而用对地位移来代替平均速度，列出关于位移的动量守恒方程．这种思想，在验证动量守恒定律的实验中也用过．3．如图所示，物体A和B质量分别为m1和m2，其图示直角边长分别为a和b.设B与水平地面无摩擦，当A由顶端O从静止开始滑到B的底端时，B的水平位移是多少？解析：由A、B组成的系统．在相互作用过程中水平方向动量守恒，则m2x－m1(b－a－x)＝0，解得x＝m1b－am1＋m2答案：m1b－am1＋m24．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．现从热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大小为v人，气球上升的平均速度大小为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，联立以上各式得：L＝M＋mMh，因此软绳的长度至少为M＋mMh.答案：M＋mMh反冲运动在航空航天中的应用——火箭1．火箭喷气属于反冲类问题，是动量守恒定律的重要应用．在火箭运动的过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，对于这一类的问题，可选取火箭本身和在相互作用的时间内喷出的全部气体为研究对象，取相互作用的整个过程为研究过程，运用动量守恒的观点解决问题．2．火箭燃料燃尽时火箭获得的最大速度由喷气速度v和质量比Mm(火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比)两个因素决定．5．在发射飞行器时，飞行器的喷气发动机，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)，设飞行器的质量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)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/s[总结提升]分析火箭类问题时应注意的事项(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相对地球的速度．(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向．反冲物体的运动方向与原物体的运动方向是相反的．1．(反冲运动)下列关于反冲运动的说法中，正确的是()A．抛出物体的质量m1要小于剩下物体的质量m2才能获得反冲B