2019-2020学年高中物理 第16章 动量守恒定律 第5节 反冲运动、火箭课件 新人教版选修3-

第5节反冲运动、火箭[学习目标]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。课前预习·落实基础一、反冲1．定义：一个静止的物体在_____的作用下分裂为两部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向______的方向运动的现象。2．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_______，以减小反冲的影响。内力相反旋转准确性肩部二、火箭1．工作原理：是利用________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，使火箭获得巨大速度。2．构造：主要有两大部分：箭体和燃料。3．特点：箭体和喷出的燃料气体满足____________定律。4．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2000m/s～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__________。喷气速度______，质量比_______火箭获得的速度越大。反冲动量守恒质量之比越大越大[自主思考]判断下列说法的正误。(1)反冲运动可以用动量守恒定律来处理。()(2)一切反冲现象都是有益的。()(3)章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理。()(4)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。()(5)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行。()(6)火箭获得的速度仅与喷气的速度有关。()√×√×√×课堂互动·考点突破考点一反冲运动的理解1．反冲运动的特点和规律(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动，一般情况下，系统动量守恒，或系统在某一方向上动量守恒。(2)物体间发生相互作用时，有其他形式的能转变为机械能，所以系统的总动能增加，作用力和反作用力都做正功。2．处理反冲运动应注意的问题(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，再列动量守恒定律方程。(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。[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。如果小车的总质量M＝3kg，水平喷出的橡皮塞的质量m＝0.1kg。(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，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，mv＋(M－m)v′＝0v′＝－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方向相反[方法总结]反冲问题一般应用系统动量守恒定律列式计算。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。变式训练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解析设向东为正方向，在最高点由水平方向动量守恒得：3mv0＝2mv＋mv′，则v′＝3v0－2v，C正确。答案C考点二火箭原理1．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。2．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。[例2]一火箭喷气发动机每次喷出m＝200g的气体，气体离开发动机喷出时的速度v＝1000m/s。设火箭质量M＝300kg，发动机每秒钟喷气20次。(1)当第三次喷出气体后，火箭的速度多大？(2)运动第1s末，火箭的速度多大？[审题探究](1)喷气时研究对象是谁，它们喷气前后的速度多大？(2)每次喷气时，火箭的质量一样吗？[解析]火箭喷气属反冲现象，火箭和气体组成的系统动量守恒，运用动量守恒定律求解。(1)选取火箭和气体组成的系统为研究对象，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，故v3＝3mvM－3m≈2m/s。(2)发动机每秒钟喷气20次，以火箭和喷出的20次气体为研究对象，根据动量守恒定律得：(M－20m)v20－20mv＝0，故v20＝20mvM－20m≈13.5m/s。[答案](1)2m/s(2)13.5m/s[规律总结]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同的。变式训练2．将静置在地面上，质量为M(含燃料)的火箭模型点火升空，在极短时间内以相对地面的速度v0竖直向下喷出质量为m的炽热气体。忽略喷气过程重力和空气阻力的影响，则喷气结束时火箭模型获得的速度大小是A.mMv0B.Mmv0C.MM－mv0D.mM－mv0解析应用动量守恒定律解决本题，注意火箭模型质量的变化。取向下为正方向，由动量守恒定律可得：0＝mv0－(M－m)v′，故v′＝mv0M－m，选项D正确。答案D考点三人船模型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之比等于质量的反比。这样的问题归为“人船模型”问题。2．运动特点：两个物体的运动特点是“人”走“船”行，“人”停“船”停。3．处理“人船模型”问题的两个关键(1)处理思路：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。①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。②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。③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)画出各物体的位移关系图，找出它们相对地面的位移的关系。4．推广：原来静止的系统在某一个方向上动量守恒，运动过程中，在该方向上速度方向相反，也可应用处理人船模型问题的思路来处理。例如，小球沿弧形槽滑下，求弧形槽移动距离的问题。[例3]如图16－5－1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，当人从船头走到船尾的过程中，小船对地的位移是多少？图16－5－1[思路引导]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。[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，故他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[方法总结]用“人船模型”公式解这类变速直线运动的位移且不涉及速度的问题时，是非常方便的。但在应用时，一定要注意：相互作用的两个物体必须满足动量守恒和原来都静止这两个条件，解题的关键是正确找出位移间的关系。变式训练3．如图16－5－2所示，质量为m，半径为r的小球，放在内半径为R，质量M＝3m的大空心球内，大球开始静止在光滑水平面上，求当小球由图中位置无初速度释放沿内壁滚到最低点时，大球移动的距离。图16－5－2解析由于水平面光滑，系统水平方向上动量守恒，设同一时刻小球的水平速度大小为v1，大球的水平速度大小为v2，由水平方向动量守恒有：mv1＝Mv2，所以v1v2＝Mm。若小球到达最低点时，小球的水平位移为x1，大球的水平位移为x2，则x1x2＝v1v2＝Mm，由题意：x1＋x2＝R－r解得x2＝mM＋m(R－r)＝R－r4。答案R－r4