1.6 反冲现象　火箭(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第6节　反冲现象　火箭 （见学生用书P27） 　　[学习目标]1.通过实验认识反冲现象，知道火箭的飞行原理（物理观念）.2.会应用动量守恒定律解决有关反冲问题（科学态度与责任）. 知识点 1　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.反冲现象的应用及防止 （1）应用：农田、园林的喷灌装置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　，所以用枪射击时要把枪身抵在肩部，以减少反冲的影响. 知识点 2　火箭 1.工作原理：利用　反冲　的原理，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2 000～5 000 m/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.喷气速度越　大　，质量比越　大　，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　运载　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. 1.判断下列说法的正误. （1）公园里的湖面上有一条小船静止，一人站在船头，现在人开始走向船尾，则小船会沿船头方向前进.（　√　） （2）反冲运动是相互作用的物体之间的作用力与反作用力产生的效果.（　√　） （3）只有系统合外力为零的反冲运动才能用动量守恒定律来分析.（　×　） （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的作用结果.（　×　） 2.甲、乙两船的质量均为m，都静止在平静的湖面上，现甲船中质量为m的人，以对地的水平速度从甲船跳到乙船，再从乙船跳到甲船，经n次跳跃后，人停在乙船上.不计水的阻力，则甲、乙（包括人）两船动量大小之比为　1∶1　，甲、乙（包括人）两船的动能之比为　3∶2　. 考点 1　对反冲现象的理解 【情境导学】仔细观察下列图片，思考气球、章鱼、乌贼运动时应用了什么物理原理？ 答案：反冲原理. 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，系统不受外力或内力远大于外力，遵循动量守恒定律或在某一方向上动量守恒. （3）反冲运动中，由于有其他形式的能转化为机械能，所以系统的机械能增加. 2.讨论反冲运动应注意的两个问题 （1）速度的方向性：对于原来静止的系统，可任意规定系统内某一部分的运动方向为正方向，则反方向运动的另一部分的速度就要取负值. （2）速度的相对性：反冲问题中，若已知相互作用的两物体的相对速度，将各速度转换成相对同一参考系的速度，再列动量守恒方程. 【例题1】狙击枪重M＝8 kg，射出的子弹质量m为20 g，若子弹射出枪口时的速度为v＝1 000 m/s，不计人对枪的作用力，则枪的后退速度v'是多大？ 思维导引：由于不计人对枪的作用力，狙击枪和子弹组成的系统动量守恒，分别计算子弹射出前后的动量，利用动量守恒定律可求得结果. 解析：子弹和枪组成的系统动量守恒，以子弹的速度方向为正方向. 作用前：p＝0，作用后：p'＝mv－Mv' 由动量守恒定律得：p＝p'，即0＝mv－Mv' 解得v'＝＝（0.02×）m/s＝2.5 m/s. 答案：2.5 m/s 【变式1】如图所示，反冲小车静止放在水平光滑玻璃板上，点燃酒精灯，水蒸气将橡皮塞水平喷出，小车沿相反方向运动.如果小车运动前的总质量M＝3 kg，水平喷出的橡皮塞的质量m＝0.1 kg.（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＝2.9 m/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，求小车的反冲速度.（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.以橡皮塞水平运动的方向为正方向 根据动量守恒定律有0＝mv＋（M－m）v1， 解得v1＝－v＝－×2.9 m/s＝－0.1 m/s， 负号表示小车运动方向与橡皮塞水平运动的方向相反，小车反冲速度大小是0.1 m/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mv'cos 60°＋（M－m）v1'＝0， v1'＝－＝－ m/s＝－0.05 m/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， 小车反冲速度大小是0.05 m/s. 答案：（1）0.1 m/s，方向与橡皮塞水平运动的方向相反 （2）0.05 m/s，方向与橡皮塞水平分运动的方向相反 考点 2　火箭问题 【情境导学】北京时间2024年1月11日11时52分，搭载天行一号的快舟一号运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射并取得圆满成功.那么火箭飞行的原理是什么？ 答案：火箭靠向后连续喷射高速气体飞行，利用了反冲原理. 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转换. （3）列方程时要注意初、末状态动量的方向. 【例题2】如图所示，某中学航天兴趣小组的同学将静置在地面上的质量为M（含水）的自制“水火箭”释放升空，在极短的时间内，质量为m的水以相对地面为v0的速度竖直向下喷出.已知重力加速度为g，空气阻力不计，下列说法正确的是（　　） A.火箭的推力来源于火箭外的空气对它的反作用力 B.水喷出的过程中，火箭和水机械能守恒 C.火箭获得的最大速度为 D.火箭上升的最大高度为 答案：D　 解析：火箭的推力来源于向下喷出的水对它的反作用力，选项A错误；水喷出的过程中，瓶内气体做功，火箭及水的机械能不守恒，选项B错误；在水喷出后的瞬间，火箭获得的速度最大，由动量守恒定律有（M－m）v－mv0＝0，解得v＝，选项C错误；水喷出后，火箭做竖直上抛运动，有v2＝2gh，解得h＝，选项D正确. 【变式2】将质量为1.0 kg的模型火箭点火升空，50 g燃烧的燃气以大小为600 m/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（忽略重力和空气阻力的影响）（　　） A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/s C.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s 答案：A　 解析：燃气从火箭喷口喷出的过程中，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，以火箭运动方向为正方向，根据动量守恒定律，可得p－mv0＝0，其中m为燃气的质量，v0为燃气喷出的速度，解得p＝mv0＝0.05 kg×600 m/s＝30 kg·m/s，选项A正确. 考点 3　“人船模型”及应用 【情境导学】有一只小船停在静水中，船上一人从船头走到船尾. （1）当人走动的速度增大时，船的速度如何变化？ （2）当人停止运动，小船是否还继续移动？ 答案：（1）船的速度也会增大.　（2）人停止运动，船也会停止运动. 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. 2.人船模型的特点 （1）两物体满足动量守恒定律：m人v人－m船v船＝0，在相互作用的过程中，任一时刻两物体的速度大小与质量成反比. （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，即＝.人和船的位移满足｜x人｜＋｜x船｜＝L. 3.解题关键点：解题时要选择同一个参考系，画出各物体的位移关系草图，找准各位移之间的关系. 4.推论：由x人＝L、x船＝L可知 （1）x人、x船大小与人运动时间和运动状态无关. （2）人、船的位移（在系统满足动量守恒的方向上的位移）与质量成反比. 【例题3】质量为m的人站在质量为M、长为L的静止小船的右端，小船的左端靠在岸边.当他向左走到船的左端时，船左端离岸的距离为（忽略水的阻力）（　　） A. L B. C. D. 思维导引：以人和船组成的系统为研究对象，由于不计水的阻力，在人从船头走到船尾的过程中，系统在水平方向上不受外力作用，故系统在水平方向上动量守恒. 答案：D　 解析：如图所示，在人从船头走到船尾的过程中，任设某一时刻人和船的速度大小分别为v1和v2，则由于人和船的总动量守恒，则有mv1－Mv2＝0，而此过程中人与船的平均速度和也应满足类似的关系m－M＝0，上式同乘过程所经历的时间t后，人和船相对于岸的位移同样有ml1－Ml2＝0，从图中可以看出，l1＋l2＝L，联立以上各式解得l1＝，l2＝，选项D正确. 【变式3】如图所示，物体A和B质量分别为m1和m2，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（　　） A. b B. b C. （b－a） D. （b－a） 答案：C　 解析：A、B组成的系统在相互作用过程中水平方向动量守恒，两物体位移关系如图所示，则m2x－m1（b－a－x）＝0，解得x＝，选项C正确，A、B、D错误. 1.（反冲现象）一航天器完成对月球的探测任务后，在离开月球的过程中，由静止开始沿着与月球表面成一倾角的直线飞行，先加速运动，再匀速运动，探测器通过喷气而获得推动力，下列关于喷气方向的描述正确的是（　　） A.探测器加速运动时，沿直线向后喷气 B.探测器加速运动时，竖直向下喷气 C.探测器匀速运动时，竖直向下喷气 D.探测器匀速运动时，不需要喷气 答案：C　 解析：探测器加速运动时，通过喷气获得的推动力与月球对探测器的引力的合力沿加速度运动方向，选项A、B错误；探测器匀速运动时，通过喷气获得的推动力与月球对探测器的引力的合力为零，根据反冲运动的特点可知，选项C正确，D错误. 2.（火箭原理）（多选）采取下列哪些措施有利于增加火箭的飞行速度的是（　　） A.使喷出的气体速度更大 B.使喷出的气体温度更高 C.使喷出的气体质量更大 D.使喷出的气体密度更小 答案：AC　 解析：设火箭原来的总质量为M，喷出的气体质量为m，速度是v，剩余的质量为（M－m），速度是v'，由动量守恒定律得（M－m）v'＝mv，解得v'＝，由此式可知，m越大，v越大，v'越大，选项A、C正确. 3.（反冲运动）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，炮弹射出炮筒口时相对于地面的速度为v0.不计炮车与地面的摩擦，则炮身向后反冲的速度大小为　　　　. 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，所以在水平方向上动量守恒.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v0cos α，以水平向右为正方向，根据动量守恒定律有mv0cos α－Mv＝0，所以炮车向后反冲的速度大小为v＝. 答案： 4.（人船模型的应用）载人气球静止于高h的空中，气球的质量为m0，人的质量为m，若人沿绳梯滑至地面，则绳梯至少为多长？ 解析：气球和人原来静止在空中，说明系统所受合外力为0，故系统在人下滑的过程中动量守恒，人着地时绳梯至少应接触地面， 设绳梯长为l，人沿绳梯滑至地面时人的位移为x人，气球的位移为x球，两者的位移关系如图所示， 由动量守恒有m0x球－mx人＝0， 又有x球＋x人＝l，x人＝h， 联立解得l＝h. 答案：h 学科网（北京）股份有限公司 $$