6. 反冲现象 火箭（培优教学课件）物理人教版2019选择性必修第一册

第一章 动量守恒定律 选择性必修一•人教版 6 反冲现象 火箭 台球的碰撞、微观粒子的散射，这些运动似乎有天壤之别。然而，物理学的研究表明，它们遵从相同的科学规律——动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最普遍的规律之一，无论是设计火箭还是研究微观粒子，都离不开它。 导入新课 它们先把水吸入体腔，然后用力压水，通过身体前面的孔将水喷出，使身体很快地运动。章鱼能够调整自己的喷水口的方向，这样可以使得身体向任意方向前进。 你认为章鱼游水时应用了什么物理原理吗？如何解释呢？ 导入新课 这是什么原理呢，它的动量还守恒吗，你准备怎么研究呢？ 物理观念 认识反冲运动，能运用力与运动的观念、能量观念和动量守恒的观念分析过程。 科学思维 在系统对象的分析下，用内力解释反冲作用过程和动量守恒。培养学生思考分析能力。培养建构模型能力。能够推理论证生产生活中的有关现象，并提出创新性实验方案。 科学探究 经历对反冲过程的探究，尝试用科学探究的方法研究物理问题。能在观察和实践中发现问题、提出假设；具有设计探究方案和获取证据的能力。解释并交流实践成果和创新经验。 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，形成探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，关注和关心祖国航天航空事业的发展，激发献身祖国科学事业发展的热情。 学习目标 重点难点 重点 反冲现象的实质；火箭的工作原理 难点 动量守恒定律的实际应用 一、反冲现象 6 反冲现象 火箭 一、反冲现象 一、反冲现象 发射炮弹时，炮弹从炮筒中飞出，炮身则向后退。这种情况由于系统内力很大，外力可忽略，可用动量守恒定律来解释。射击前，炮弹静止在炮筒中，它们的总动量为0。炮弹射出后以很大的速度向前运动，根据动量守恒定律，炮身必将向后运动。只是由于炮身的质量远大于炮弹的质量，所以炮身向后的速度很小。炮身的这种后退运动叫作反冲(recoil)。 一、反冲现象 一、反冲现象 一、反冲现象 1.反冲现象:系统在内力作用下，当一部分向某一方向运动时，剩余部分沿相反方向运动的现象。 2.反冲原理 反冲运动的基本原理是动量守恒定律，如果系统的一部分获得了某一方向的动量，系统的其他部分就会在这一方向的反方向上获得同样大小的动量． 3.公式 若系统的初始动量为零，则动量守恒定律的形式变为0＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反冲运动的两部分的动量大小相等、方向相反，而它们的速率与质量成反比． 一、反冲现象 用枪射击时，子弹向前飞去，枪身向后运动。 用步枪射击时要把枪身抵在肩部，以减少反冲的影响 一、反冲现象 【例题1】机关枪重8Kg，射出的子弹质量为20g，若子弹的出口速度为1000m/s，则机枪的后退速度vˊ是多大？ 【解析】机枪和子弹这一系统动量守恒，取子弹的速度方向为正方向，由 动量守恒定律得：0=mv -Mvˊ vˊ = ( m / M ) v=[(0.02÷8) × 1000]m/s =2.5m/s 一、反冲现象 中国新型履带式自行榴弹炮炮车的履带表面有较深的突起抓地钩型设计是为了增大摩擦力，止退犁和两个液压缓冲器，都是为了在火炮连射时起到“止退”的作用，提高命中精度而精心设计的。 一、反冲现象 海上冲水是利用反冲原理设计的一种游玩项目 一、反冲现象 把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口，然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。 现象：通过实验发现，气球口朝下，气球往上飞，气球口朝上，气球往下飞。 思考：如何解释刚才的现象呢？ 气球向一个方向喷气时，就会受到一个相反方向的力，而向相反方向运动，这是反冲现象。 思考：气球喷气会受到一个相反方向力的作用向相反方向运动，如果喷出的不是气，而是液体像水，会怎样呢？ 一、反冲现象 如图1.6-2乙，把弯管装在可旋转的盛水容器的下部。当水从弯管流出时容器就旋转起来。 二、火箭 6 反冲现象 火箭 二、火箭 二、火箭 二、火箭 我国早在宋代就发明了火箭，在箭杆上捆一个前端封闭的火药筒，火药点燃后生成的燃气以很大的速度向后喷出，火箭由于反冲而向前运动。 二、火箭 现代火箭主要由壳体和燃料组成，壳体是圆筒形的，前端是封闭的尖端，后端有尾喷管，燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾喷管迅速喷出，火箭就向前飞去。 现代的火箭 思考：火箭最终获得速度由什么决定呢？ 二、火箭 M-m V0 正方向 V=？ m 【例题2】火箭发射前的总质量为M，燃料全部燃烧完后的质量为m，火箭燃气的对地喷射速度为V0，燃料燃尽后火箭的速度V为多大？ 【解析】在火箭发射过程中，内力远大于外力，所以动量守恒。 设火箭的速度方向为正方向， 由动量守恒得： 0= mV -（M-m)V0 二、火箭 (1)决定火箭最大飞行速度的因素有哪些？ (2)讨论如何提高火箭飞行的速度大小。 ①提高火箭发射前的总质量与燃料燃尽后火箭质量的质量比； ②提高火箭喷出的燃气的速度。 喷气速度 质量比 火箭起飞前的质量 燃料燃尽后的火箭壳质量 二、火箭 如何提高火箭燃气的喷射速度？ 【提示】要提高喷气速度，就要使用高质量的燃料， 目前常用的液体燃料是液氢，用液氧做氧化剂。 如何提高火箭提高火箭质量比？ 【提示】多级火箭能及时把空壳抛掉，使火箭的总质量减少，因而能够达到很高的速度，但火箭的级数不是越多越好，级数越多构造越复杂，工作的可靠性越差，目前多级火箭一般都是三级。 三、拓展学习：人船模型 6 反冲现象 火箭 三、人船模型 例题3 如图所示，长为L、质量为m船的小船停在静水中，质量为m人的人由静止开始向右从船的一端走到船的另一端，不计水的阻力。以人和船组成的系统为研究对象，在人由船的一端走到船的另一端的过程中， (1)船向哪个方向运动？当人的速度为v人时，船速多大？ (2)人和船相对静水移动的距离分别是多大？ 三、人船模型 (1) 0＝m船v船－m人v人 (2) m人v人－M船v船＝0 三、人船模型 x船 x人 1.适用条件： 初始静止，动量守恒或某一个方向动量守恒 m船x船=m人x人 3.规律： L L=x船+x人 得:x船= x人= 注意：总位移与质量成反比 画出人、船位移草图 2.运动情况：人走、船行；人停船停；人加速船加速；人减速船减速。 三、课堂总结 6 反冲现象 火箭 反冲运动 火箭 2、人船模型 1、反冲运动 ④防止：射击时，用肩顶住枪身 3、火箭 ①飞行的原理---利用反冲运动 ②决定火箭最终飞行速度的因素 ③应用：反击式水轮机、喷气式飞机 、火箭等 ①定义：静止或运动的物体分离出一部分物体 ，使另一部分向相反方向运动的现象叫反冲运动。 ②规律：反冲运动中一般遵循动量守恒定律 喷气速度 四、练习与应用 6 反冲现象 火箭 四、练习与应用 1.带子弹的步枪质量为5 kg，一颗子弹的质量为10 g，子弹从枪口飞出时的速度为900 m/s，则第一发子弹射出后步枪的反冲速度约为(　　) A.2 m/s B.1.8 m/s C.3 m/s D.4 m/s B 四、练习与应用 C 四、练习与应用 3.(多选)一只小船静止在水面上，一个人从小船的一端走到另一端，不计水的阻力，以下说法中正确的是(　　) A.人和小船组成的系统动量守恒 B.人运动的速度增大时，船运动的速度减小 C.当人停止走动时，因为小船惯性大，小船要继续向后退 D.当人停止走动时，小船也停止后退 AD 四、练习与应用 四、练习与应用 4.两名静止在太空中的宇航员需会合，宇航员甲打开左手上的喷气口阀门，喷出200g速度为的气体后关闭阀门，假定宇航员甲沿直线运动。两者靠近时宇航员甲用右手恰好抓住宇航员乙的左手，然后一起运动．已知两宇航员及所有附属装备的总质量均为80kg，求： (1)喷气后宇航员甲的速度大小； (2)宇航员乙对甲的冲量大小。 四、练习与应用 解析（1）喷气过程中，宇航员甲与喷出的气体整体动量守恒 代入数据可得 （2）宇航员甲与乙会合的过程中，由动量守恒得 代入数据可得 对宇航员甲，由动量定理得- 代入数据可得40N·s 五、提升训练 6 反冲现象 火箭 五、提升训练 1.章鱼遇到危险时可将吸入体内的水在极短时间内向后喷出，由此获得一个反冲速度，从而迅速向前逃窜完成自救。假设有一只章鱼吸满水后的总质量为M，且静止悬浮在水中，其一次喷射出质量为m的水，喷射出的水的速度大小为，章鱼体表光滑，则以下说法正确的是（　　） A．章鱼的反冲推力来源于喷出的水对它的反作用力 B．喷水的过程中，章鱼和喷出的水组成的系统动量不守恒 C．喷水的过程中，章鱼和喷出的水组成的系统机械能守恒 D．章鱼喷水后瞬间逃跑的速度大小为 AD 五、提升训练 解析 A．章鱼喷水过程中对喷出的水有作用力，根据牛顿第三定律，喷出的水对章鱼有反作用力，这就是章鱼反冲运动的推力，故A正确；B．章鱼喷水过程所用的时间极短，内力远大于外力，章鱼和喷出的水组成的系统动量守恒，故B错误；C．在章鱼喷水的过程中，章鱼体内的化学能转化为机械能，系统机械能增加，故C错误；D．以章鱼和喷出的水组成的系统为研究对象，规定章鱼喷水后瞬间逃跑的方向为正方向，由动量守恒定律得 可得章鱼喷水后瞬间逃跑的速度大小为,故D正确。故选AD。 五、提升训练 2.(多选)世界上第一个想利用火箭飞行的人是明朝的陶成道。如图所示，他把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在椅子上，双手举着大风筝，设想利用火箭的推力，竖直飞上天空，当自己运动到最高点时展开风筝平稳着陆。假设陶成道及所携设备：火箭(含燃料)、椅子、风筝等总质量为M＝90 kg，点燃火箭后在极短的时间内，质量为m＝20 kg的炽热燃气相对地面以v0＝70 m/s的速度竖直向下喷出。上升阶段忽略空气阻力的影响，重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是(　　) A. 燃气喷出后，陶成道上升过程中处于超重状态 B. 火箭的推力来源于燃气对它的反作用力 C. 喷出燃气后，陶成道及所携设备能上升的最大高度为20 m D. 在火箭喷气结束后的上升过程中，陶成道及所携设备机械能增大 五、提升训练 五、提升训练 3.一个士兵坐在皮划艇上，他连同装备和皮划艇的总质量是 120kg。这个士兵用自动步枪在 2s 内沿水平方向连续射出 10 发子弹，每发子弹的质量是 10g，子弹离开枪口时相对步枪的速度是 800m/s。射击前皮划艇是静止的，不考虑水的阻力。 (1) 每次射击后皮划艇的速度改变多少? (2) 连续射击后皮划艇的速度是多大? (3) 连续射击时枪所受到的平均反冲作用力是多大? 五、提升训练 解析（1）设士兵连同装备和皮划艇的总质量为 M＝120kg，每发子弹的质量为 m＝10g，连续射击时间 t＝2s，子弹离开枪口时相对步枪的速度为 v0＝800 m/s. 射出第 1 发子弹的过程中，系统动量守恒， 则有 0＝(M－m)v1＋m(v2－v0)，得到 v1＝v0 射出第 2 颗子弹的过程中，系统动量守恒， 则有(M－m)v1＝ (M－2m)v2＋m(v2－v0)， 得 v2＝v1＋v0＝(＋)mv0， 五、提升训练 同理，第 3 发子弹射出后皮划艇的速度为 v3＝(＋＋)mv0 射出第 n 发子弹的过程中，皮划艇的速度改变量 ∆vn＝vn－vn－1 ＝ 考虑到 M≥m ，故 Δvn ≈ v0＝ 15 m/s. 五、提升训练 ⑵第 10 发子弹射出后，皮划艇的速度为 v10＝(＋＋···＋ ) mv0 ≈ v0 ＝ m/s. ⑶设全过程中枪所受到的平均反冲作用力为， 则有 Ft＝(M－10m)v10 解得 F＝v10≈× N＝40 N. 五、提升训练 4.某小组在探究反冲运动时，将质量为m1的一个小液化瓶固定在质量为m2的小船上，利用液化瓶向外喷射气体做为船的动力。现把整个装置静止放在平静的水面上，已知打开液化瓶后向外喷射气体的对地速度为v1，如果在Δt的时间内向后喷射的气体的质量为Δm，忽略水的阻力，求： (1)喷射出质量为Δm的气体后，小船的速度大小； (2)喷射出质量为Δm气体的过程中，小船所受气体的平均作用力的大小。 五、提升训练 解析　(1)由动量守恒定律得 (m1＋m2－Δm)v船－Δmv1＝0 (2)对喷射出的气体运用动量定理得 FΔt＝Δmv1 Lavf59.34.101 Lavf58.33.100 Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.28.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.33.100 解析　设子弹和枪的总质量为M，子弹质量为m，以子弹从枪口飞出时速度的反方向为正方向，由动量守恒定律得(M－m)v1－mv2＝0，得v1＝＝ m/s≈1.8 m/s，故B正确。 解析　规定航天器的速度方向为正方向，发动机喷气过程中系统动量守恒，由动量守恒定律可得Mv0＝(M－m)v2－mv1，解得m＝M，故C正确，A、B、D错误。 2.一质量为M的航天器，正以速度v0在太空中飞行，某一时刻航天器接到加速的指令后，发动机瞬间向后喷出一定质量的气体，气体喷出时速度大小为v1，加速后航天器的速度大小为v2，则喷出气体的质量m为(　　) A.M B.M C.M D.M 解析　人在船上行走时，由于不计水的阻力，人和小船组成的系统所受外力之和为零，故系统动量守恒，故A正确；根据动量守恒定律得m人v人＋m船v船＝0，得＝－是一个定值，可知人的速度与船的速度大小成正比、方向相反，则当人运动的速度增大时，船运动的速度也增大，当人停止走动时，船也停止后退，故B、C错误，D正确。 解析　燃气喷出后，陶成道将减速上升，加速度方向向下，可知陶成道上升过程中处于失重状态，A错误；炽热的燃气向下喷出过程中，火箭对燃气的作用力与燃气对火箭的作用力是一对相互作用力，火箭的推力来源于燃气对它的反作用力，B正确；由于点燃火箭后，喷气过程在极短的时间内完成，则内力远远大于外力，该过程动量近似守恒，则有mv0－(M－m)v1＝0，上升阶段忽略空气阻力的影响，之后火箭做竖直上抛运动，则有v＝2ghmax，解得hmax＝20 m，C正确；在火箭喷气结束后的上升过程中，由于上升阶段忽略空气阻力的影响，即只有重力做功，则陶成道及所携设备的机械能守恒，即机械能不变，D错误。 解得F＝ 由牛顿第三定律得，小船所受气体的平均作用力大小为F′＝。 解得v船＝。 $$