第一章 第四节 动量守恒定律的应用（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第四节　动量守恒定律的应用 课程内容要求 核心素养提炼 1.了解反冲现象，知道反冲现象的原理． 2．知道火箭的发射原理，学会应用动量守恒定律分析火箭发射的问题． 3．能够掌握反冲运动模型的建立及解决实际问题的方法. 1.物理观念：反冲现象． 2．科学思维：将火箭发射、炮弹发射等抽象为反冲运动模型，应用动量守恒定律解决问题． 3．科学态度与责任：关注我国火箭及航天事业的发展，树立热爱科学、献身科学的世界观. 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个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反方向运动的现象． 2．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，相互作用力一般较大，通常可以用动量守恒定律来处理． 3．反冲现象的应用和防止 (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：用枪射击时，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． [判断] (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．(√) 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动量守恒定律． 4．模型：设火箭飞行时在极短时间Δt内喷射燃气的质量为Δm.喷出的燃气相对喷气前火箭速度是μ，喷出燃气后火箭的质量是m.火箭一次喷气增加的速度是Δv. 根据动量守恒定律mΔv＋Δmμ＝0. [思考] 如图，“天舟一号”货运飞船乘坐“长征七号”运载火箭升上太空． (1)“长征七号”运载火箭升空过程中的运动是一种什么运动？ (2)“长征七号”运载火箭运动过程中是否满足动量守恒定律？ 提示　(1)“长征七号”运载火箭升空过程中的运动是一种反冲运动． (2)“长征七号”运载火箭运动过程中内力远大于外力，所以满足动量守恒定律． 探究点一　反冲运动的理解和讨论 (1)反冲运动过程中，动量守恒吗？为什么？ 提示　守恒．因为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．所以系统的总动量是守恒的． (2)假设在月球上建一个飞机场，应配置喷气式飞机还是螺旋桨飞机？ 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． 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或在某一方向上内力远大于外力，所以可以用动量守恒定律或在某一方向上应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)速度的方向性：对于原来静止的整体，当被抛出部分具有速度时，剩余部分的反冲是相对于抛出部分来说的，两者运动方向必然相反．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，则反方向运动的这一部分的速度就要取负值． (2)速度的相对性：反冲运动的问题中，有时遇到的速度是相互作用的两物体的相对速度．但是动量守恒定律中要求速度是对同一惯性参考系的速度(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，再列动量守恒定律方程． (3)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来进行研究． 一火箭喷气发动机每次喷出m＝200 g的气体，气体喷出时的速度v＝1 000 m/s，设火箭质量M＝300 kg，发动机每秒喷气20次． (1)当第三次气体喷出后，火箭的速度为多大？ (2)运动第1 s末，火箭的速度为多大？ 解析　解法一：(1)喷出气体的运动方向与火箭的运动方向相反，气体和火箭系统动量守恒． 设第一次气体喷出后火箭速度为v1， 有(M－m)v1－mv＝0，所以v1＝ 设第二次气体喷出后，火箭速度为v2， 有(M－2m)v2－mv＝(M－m)v1， 所以v2＝ 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＝＝ m/s≈2 m/s. (2)由(1)中推导可知，设第n次气体喷出后，火箭速度为vn，有(M－nm)vn－mv＝[M－(n－1)m]vn－1 所以vn＝ 因为每秒喷气20次，所以第1 s末火箭速度为 v20＝＝ m/s≈13.5 m/s