第6节 反冲（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第6节　反　冲 核心素养导学 物理观念 (1)了解反冲运动的概念，知道反冲运动的原理。 (2)了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素。 科学思维 应用动量守恒定律解决反冲运动问题。 科学探究 通过观察反冲现象，寻找它们的共同规律，形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释；培养观察能力和发现问题的能力。 科学态度与责任 (1)了解我国的航空、航天事业的巨大成就和当前的航空、航天计划，激发学生热爱祖国的情感。 (2)体会物理知识来源于生活而又应用于生活的特点，提高物理学习的学科素养。 一、反冲现象 1．概念：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．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__________定律来处理。 相反 动量守恒 2 3．应用与防止 (1)应用：农田、园林的喷灌装置能够一边喷水一边______，这是因为喷口的喷射略有倾斜，水从喷口喷出时，喷管因反冲而旋转。 (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。 若反冲运动系统的初动量为零，则动量守恒定律的形式为：0＝m1v1＋m2v2，做反冲运动的两部分动量大小相等，方向相反。　　 旋转 反冲 第6节　反　冲 核心素养导学 物理观念 (1)了解反冲运动的概念，知道反冲运动的原理。 (2)了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素。 科学思维 应用动量守恒定律解决反冲运动问题。 科学探究 通过观察反冲现象，寻找它们的共同规律，形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释；培养观察能力和发现问题的能力。 科学态度与责任 (1)了解我国的航空、航天事业的巨大成就和当前的航空、航天计划，激发学生热爱祖国的情感。 (2)体会物理知识来源于生活而又应用于生活的特点，提高物理学习的学科素养。 1．两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2 m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2 m，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) 2．我国宋代就发明了火箭(如图甲)，火箭上扎一个火药筒，火药筒的前端是封闭的，火药点燃后火箭由于反冲向前运动。现代火箭原理与古代火箭相同(如图乙)。 关于火箭，试判断正误： (1)火箭应用了反冲的原理。 ( ) (2)火箭在向后喷气的过程中，火箭的总质量在不断减小，火箭向前运动的速度在不断增大。 ( ) (3)火箭点火后向下喷出高速高压气体，离开地面火箭向上加速，是地面对火箭的反作用力作用的结果。 ( ) √ √ × 新知学习(一)|对反冲运动的理解 [任务驱动] 草坪灌溉用的自动旋转喷水器原理图如图所示，当水从弯管的喷嘴里喷射出来时，弯管自动旋转，大大增加了喷水的面积，请说明原理。 提示：当水从弯管的喷嘴里喷射出来时，水给弯管一个反作用力，弯管在这个反作用力下实现自动旋转。　　　　 [重点释解] 1．反冲运动的特点及遵循的规律 (1)特点：是物体之间的作用力与反作用力产生的效果。 (2)条件： ①系统不受外力或所受外力的矢量和为零。 ②内力远大于外力。 ③系统在某一方向上不受外力或该方向上所受外力之和为零。 (3)反冲运动遵循动量守恒定律。 2．处理反冲运动应注意的三个问题 速度的方向问题 对于原来静止的整体，两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，则反方向的速度应取负值 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，再列动量守恒定律方程 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 [典例体验] [典例]　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？ [解题指导]　 (1)火箭喷气属于反冲运动，火箭和气体系统动量守恒。 (2)火箭喷气后质量发生变化，喷气后的质量为M－nm。 /方法技巧/ (1)反冲是系统内的不同部分在强大内力作用下向相反方向运动的现象。 (2)反冲运动实际上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)反冲过程中动量守恒、系统机械能不守恒。 [针对训练] 1．(2024·乐山高二检测)2024年1月5日19时20分，我国在酒泉卫星发射中心使用快舟一号甲运载火箭，成功将天目一号气象星座15－18星发射升空。关于火箭、反冲现象，下列说法正确的是(　 ) A．火箭点火后离开地面向上运动，是地面对火箭的反作用力作用的结果 B．火箭开始工作后做加速运动的原因是燃料燃烧推动空气，空气反作用力推动火箭 C．为了减少反冲的影响，士兵用枪射击训练时要用肩部抵住枪身 D．火箭、汽车、喷气式飞机、直升机的运动都属于反冲运动 解析：火箭点火后加速上升离开地面过程中，并不是地面对其的反作用力，而是喷出的气体对火箭的作用力使其加速上升，故A错误；火箭开始工作后做加速运动的原因是燃料燃烧产生气体，喷出的气体的反作用力推动火箭，故B错误；用枪射击时要用肩部抵住枪身，可以防止枪身快速后退而造成影响，故C正确；火箭、喷气式飞机利用了气体的反冲作用而获得动力，属于反冲运动，汽车的运动是利用地面的作用力而获得动力，直升机的运动是利用空气的反作用力而获得动力，不属于反冲运动，故D错误。 答案：C　 [答案]　D [例2]　如图所示，质量M＝150 kg的木船长l＝4 m，质量 m＝50 kg的人站立在船头，人和船静止在平静的水面上。不计 水的阻力，现在人要走到船尾取一样东西，则人从船头走到船尾过程中，船相对静水移动的距离为多大？ [答案]　1 m [内化模型] 处理“人船模型”问题的关键点 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．在两物体发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒，在此方向上有： (1)表达式：0＝m1v1－m2v2(其中v1、v2是平均速度的大小)。 (2)推论：m1x1＝m2x2(其中x1、x2是相对同一参考系的位移)。 3．处理“人船模型”问题时可画出两物体的位移草图，再利用动量守恒定律确定两物体的速度关系，进而确定两物体的位移关系。 [针对训练] 1．(多选)质量为m的人在质量为M的小车上从左端走到右端，如图所 示，当车与地面摩擦不计时，那么 (　 ) A．人在车上行走，若人相对车突然停止，则车也突然停止 B．人在车上行走的平均速度越大，则车在地面上移动的距离也越大 C．人在车上行走的平均速度越小，则车在地面上移动的距离就越大 D．不管人以什么样的平均速度行走，车在地面上移动的距离相同 答案：AD　 答案：C　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——“反冲小车” 1．(选自粤教版教材“讨论与交流”) 1．(选自粤教版教材 “讨论与交流”)如图所示，反冲小车停在光滑的桌面上，车上 固定一个用胶塞塞住封口的试管。试管内有少量水，同时充满 空气，用车上的酒精灯加热试管尾端。当试管内的空气达到一定温度时，胶塞从试管口喷出，此时小车是否运动？胶塞从试管口喷出瞬间，整个反冲小车遵循动量守恒定律吗？ 提示：小车会反向运动。整个反冲小车所受外力为零，符合动量守恒的条件，遵循动量守恒定律。 科学探究——制作“水火箭” 2．(选自鲁科版新教材“迷你实验室”)如图所示，剪下一塑料瓶的瓶 口部分，粘在另一塑料瓶的瓶底，做成“水火箭”头，在靠近“水 火箭”尾部处粘上定向尾翼。取大小合适的橡皮塞，在其中心装上 气门芯。在瓶中装入大半瓶水后，用橡皮塞塞紧瓶口。“水火箭” 就做好了。 把“水火箭”放在发射架上，用打气筒通过气门芯向瓶内打气。当瓶内空气达到一定压强时，水将橡皮塞冲开并向下高速喷出，由于反冲作用，“水火箭”便会冲向天空。 (1)“水火箭”是利用什么原理将瓶推向高空的？ (2)要想使“水火箭”升得更高些，应从哪些方面考虑？ 提示：(1)利用水的反冲作用将瓶推向高空。 (2)瓶子的质量和形状、瓶中水的多少、瓶塞与瓶口的摩擦及瓶塞插入瓶口的深度等。 科学态度与责任——太空行走及自动喷水装置 3．(选自鲁科版新教材)宇航员无绳太空行走是通过太空服背部的喷气推进装置实现的(图1)。该装置有几十个喷管，宇航员利用安装在太空服前面的开关控制喷气，实现朝各个方向的移动。 有的自动喷水装置喷水时，水流的反冲作用可使喷水管旋转起来，这样就能达到多角度喷洒的目的(图2)。大型水力发电站用的反击式水轮机也是利用水流的反冲作用而旋转的。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．“独竹漂”是一项独特的黔北民间绝技。 独竹漂高手们脚踩一根楠竹，漂行水上如履平地。 如图甲所示，在平静的湖面上，一位女子脚踩竹竿 抵达岸边，此时女子静立于竹竿A点，一位摄影爱好者使用连拍模式拍下了该女子在竹竿上行走过程的一系列照片，并从中选取了两张进行对比，其简化图如图所示。经过测量发现，甲、乙两张照片中A、B两点的水平间距约为1 cm，乙照片中竹竿右端距离河岸约为1.8 cm。照片的比例尺为1∶40。已知竹竿的质量约为25 kg，若不计水的阻力，则该女子的质量约为(　 ) A．41.5 kg 　 B．45 kg 　C．47.5 kg 　 　D．50 kg 解析：对女子和竹竿组成的系统，可看成人船模型，根据动量守恒定律，可得m1x1＝m2x2，代入数据解得该女子的质量为m1＝45 kg，故选B。 答案：B　 2.如图是“神舟”系列返回舱返回地面的示意图，假定其过程可简化为：打开降落伞一段时间后，整个装置匀速下降，为确保安全着陆，需点燃返回舱的缓冲火箭，在火箭喷气过程中返回舱做减速直线运动，则(　 ) A．火箭开始喷气瞬间伞绳对返回舱的拉力变小 B．返回舱在喷气过程中减速的主要原因是空气阻力 C．返回舱在喷气过程中所受合外力竖直向下 D．返回舱在喷气过程中处于失重状态 解析：返回舱原来匀速下降，绳上的拉力和空气阻力的合力等于返回舱的重力，喷气瞬间，返回舱受到喷出气体向上的反冲力作用，绳上的拉力会变小，A正确；返回舱在喷气过程中减速的主要原因是火箭向下喷气而获得的向上的反冲力，B错误；返回舱在喷气过程中做减速运动，加速度向上，所受合外力向上，处于超重状态，C、D均错误。 答案：A　 3．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，炮筒与水平地面的夹角为α，炮弹射出炮筒时 相对于地面的速度大小为v0，不计炮车与地面间的摩擦，则炮车向后反冲的速度大小为(　 ) 二、火箭的发射 1．工作原理：火箭的发射利用了______原理，火箭点燃产生的燃气从尾部以很大的速度向后喷出，使火箭获得巨大速度。 2．火箭速度的大小 (1)推导：设火箭在极短时间内喷出的气体质量为Δm，气体的速度为u，喷出气体后火箭的质量为m，火箭的速度增加量为Δv，由动量守恒定律得：mΔv＋Δmu＝0，解得Δv＝－ u。 (2)影响火箭速度大小的因素 ①喷气速度u。喷出气体速度越大，火箭获得的速度Δv越大。 ②质量比(火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比)。比值越大，火箭获得的速度Δv越大。 研究火箭运动时，要明确火箭和喷出的气体的初、末状态的速度必须是相对同一参考系，一般以大地为参考系。　　 提示：若立定跳远时，人离地时速度为v，如果从船上起跳时，人离船时速度为v′，船的反冲速度为v船′，由能量关系E＝mv2，E＝mv′2＋Mv船′2，所以v′＜v，人跳出的距离变小，掉到了水里。正是由于船的反冲导致了此结果。 [解析]　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。 第一次气体喷出后，火箭速度为v1，有 (M－m)v1－mv＝0，所以v1＝ 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)由上面推导可知，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1 s末火箭速度为 v20＝＝ m/s≈13.5 m/s。 法二：选取整体为研究对象，运用动量守恒定律求解。 (1)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，根据动量守恒定律，得(M－3m)v3－3mv＝0，所以v3＝≈2 m/s。 (2)以火箭和喷出的20次气体为研究对象，根据动量守恒定律，有(M－20m)v20－20mv＝0，所以v20＝≈13.5 m/s。 [答案]　(1)2 m/s　(2)13.5 m/s 2．乌贼游动时，先把水吸入体腔，然后收缩身体，通过身体上的小孔向外喷水，使身体向相反方向快速移动。某次静止的乌贼在瞬间喷出的水的质量占喷水前自身总质量的，喷水后乌贼获得的速度为8 m/s，则喷出的水的速度为(　 ) A．72 m/s 　 B．80 m/s　 C．88 m/s　 D．16 m/s 解析：取喷水后乌贼获得的速度方向为正方向。设喷水后乌贼质量为m1，速度大小为v1，喷出的水的质量为m2，速度大小为v2，根据动量守恒定律得0＝m1v1－m2v2，其中＝，解得v2＝72 m/s，故选A。 答案：A 新知学习(二)|人船模型 [典例体验] [例1]　载人气球原来静止于高h的高空，气球(不含人)质量为M，人的质量为m。若人可沿绳滑至地面(人和气球均可视为质点)，则绳至少长 (　 ) A． B． C． D． [解析]　设绳长为l，人沿绳滑至地面的时间为t，由图可看出，气球对地的平均速度为，人对地的平均速度为－(以竖直向上为正方向)。由动量守恒定律，有－＝0，解得l＝h。故D正确。 [解析]　设船移动距离为x，则人移动距离为l－x，以船行方向为正方向，整个过程的时间为t，船对地的平均速度为，人对地的平均速度为－，如图所示。由动量守恒定律有M－m＝0，即Mx－m(l－x)＝0，解得船移动的距离为x＝＝ m＝1 m。 解析：由于地面光滑，则人与车组成的系统动量守恒得：mv人＝Mv车，可知A正确；设车长为L，由m(L－x车)＝Mx车，得x车＝L，车在地面上移动的位移大小与人的平均速度大小无关，故D正确，B、C均错误。 2．如图所示，一个倾角为α的直角斜面体静置于光滑水平面上，斜面体质量为M，顶端高度为h。今有一质量为m的小物体(可视为质点)，沿光滑斜面下滑，当小物体从斜面顶端自由下滑到底端时，斜面体在水平面上移动的距离是 (　 ) A． B． C． D． 解析：此题属于“人船模型”问题，小物体与斜面体组成的系统在水平方向上动量守恒，以水平向左为正方向，设小物体在水平方向上对地位移大小为s1，斜面体在水平方向上对地位移大小为s2。有0＝ms1－Ms2，且s1＋s2＝，可得s2＝。 A. 　B. 　C. 　　D. 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，所以系统水平方向动量守恒。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v0cos α。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＝，故选A。 答案：A　 $$