第1章 第6节 反 冲-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册教用Word(教科版)

第6节　反　冲 1．了解反冲运动的概念及反冲运动的一些应用。　2.知道反冲运动的原理。 3．应用动量守恒定律解决反冲运动问题。　4.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素。 5．会利用反冲运动原理分析“人船模型”问题。 一、反冲现象 1．定义 如果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，这个现象叫作反冲。 2．规律 反冲和碰撞、爆炸有相似之处。反冲过程中相互作用力常为变力，且作用力大，一般都满足内力________________外力，所以可用__________________________来处理。 3．反冲的应用：____________、灌溉喷水器、反击式水轮机等都是利用____________来工作的。 二、火箭的发射 1．工作原理：火箭的发射利用了__________。火箭燃料舱内的燃料被点燃后，产生急剧膨胀的燃气，舱壁对这部分燃气的作用力使气体从火箭尾部高速喷出，燃气对火箭的反作用力把火箭推向前方。 2．火箭飞行所能达到的最大速度就是燃料燃尽时获得的最终速度。这个速度主要取决于两个条件：一是向后的喷气速度；二是质量比(火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比)。喷气速度__________________，质量比__________________，最终速度就越大。 3．提高喷气速度，需要使用高质量的燃料，目前常用的是液氢，用液氧作氧化剂。质量比与火箭的结构和材料有关，现代火箭能达到的质量比不超过10。在现有技术条件下，一级火箭的最终速度还不能达到发射人造卫星所需的速度，因而发射卫星要用多级火箭。 判断下列说法是否正确。 (1)一切反冲现象都是有益的。(　　) (2)章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理。(　　) (3)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。(　　) (4)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行。(　　) (5)火箭发射时，火箭获得的机械能来自燃料燃烧释放的化学能。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√ [答案自填] 相反　远大于　动量守恒定律　火箭　反冲　反冲　越大　越大 知识点一　对反冲现象的理解和分析 点燃“窜天猴”的药捻，“窜天猴”向下喷出气体，同时“窜天猴”飞向高空。结合该实例，回答下列问题： (1)反冲运动的物体受力有什么特点？ (2)反冲运动过程中系统的动量、机械能有什么变化？ 提示：(1)物体的不同部分受相反的作用力，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，所以系统的动量守恒；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。 1．反冲运动的特点 (1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。 (2)在反冲运动中，相互作用力一般较大，通常可以用动量守恒定律来处理。 (3)在反冲运动中，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．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。 角度1　对反冲现象的理解 (2024·广东清远期末)下列图中描述的几种现象不属于反冲现象的是(　　) [解析]　蝴蝶利用“喷气”来完成洲际旅行，是反冲现象，故A错误；鱿鱼将吸入的水用力喷出，快速地向外游窜，是反冲现象，故B错误；鸡蛋落在海绵垫子上，完好无损，这是延长了鸡蛋和海绵的作用时间，减小了作用力，是缓冲现象，故C正确；航天员进行无绳太空漫步时，喷气背包喷出的气体控制其运动，是反冲现象，故D错误。 [答案]　C 角度2　反冲现象的计算 (2024·江苏南通统考期中)一只吸水后总质量为1.6 kg的章鱼静止在水中，遇到危险时，它在极短时间内把吸入的0.1 kg的水向后以30 m/s的速度全部喷出。不计水对章鱼的阻力，则章鱼喷水后获得的速度大小为(　　) A．2.0 m/s　　　　　　 B．1.875 m/s C．1.765 m/s D．30 m/s [解析]　章鱼喷水过程中，章鱼与喷出的水组成的系统动量守恒，设章鱼喷水后的速度为v1，喷出水的速度为v2，由动量守恒定律可得m章鱼v1－m水v2＝0，解得章鱼喷水后获得的速度大小v1＝2.0 m/s。 [答案]　A (2024·山东菏泽统考期中)2023年7月20日21时40分，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮密切协同，进行了八个小时的太空行走，圆满完成出舱活动全部既定任务。喷气背包作为航天员舱外活动的主要动力装置，它能让航天员保持较高的机动性。如图所示，一个连同装备总质量M＝100 kg的航天员，装备内有一个喷嘴可以使压缩气体以相对于空间站v＝50 m/s的速度喷出。航天员在距离空间站s＝45 m处与空间站处于相对静止状态，航天员完成太空行走任务后，必须向着返回空间站方向的反方向释放压缩气体，才能回到空间站，喷出的气体总质量m＝0.15 kg，返回时间约为(　　) A．300 s B．400 s C．600 s D．800 s [解析]　因m≪M，则喷出的气体的质量可忽略不计，取喷出的气体速度方向为正方向，根据动量守恒定律可得mv－Mv1＝0，航天员匀速返回空间站所需要的时间t＝，联立得t＝600 s。 [答案]　C 知识点二　火箭发射问题 1．火箭的速度 设火箭在Δt时间内喷射燃气的质量为Δm，速度为u，喷出燃气后火箭的质量为m，获得的速度为v，由动量守恒定律有0＝mv＋Δmu，得v＝－u。 2．决定因素 火箭获得速度取决于燃气喷出的速度u及燃气质量与火箭本身质量之比两个因素。 3．多级火箭 由于受重力的影响，单级火箭达不到发射人造地球卫星所需要的7.9 km/s，实际火箭为多级。多级火箭发射时，质量较大的第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二级、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担，使火箭达到远远超过使用同样多的燃料的一级火箭所能达到的速度。目前多级火箭一般都是三级火箭，因为三级火箭能达到目前发射人造卫星的需求。 (2024·江苏扬州统考) “火箭”这个词在公元三世纪的三国时代就已出现。关于现代火箭，下列说法正确的是(　　) A．影响火箭速度大小的主要因素是喷气的速度大小、喷出气体的质量与喷气后的火箭质量之比 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，空气的反作用力推动火箭 C．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 D．火箭、喷气式飞机、直升机的运动都是利用反冲获得动力 [解析]　火箭工作的原理是利用反冲运动，火箭高速向下喷出燃烧的气体，喷出的气体对火箭的反作用力使火箭向上运动，故B、C错误；设喷气速度为v， 喷出气体的质量为m，喷气后的火箭质量为M，火箭获得的速度大小为v′，根据动量守恒定律有mv＝Mv′，解得v′＝v，故影响火箭速度大小的主要因素是喷气的速度大小、喷出气体的质量与火箭质量之比，故A正确；火箭的运动是利用喷气的方式而获得动力，属于反冲运动，喷气式飞机的运动是利用喷出气体的反冲作用而获得动力，属于反冲运动，直升机是利用空气的浮力而使飞机上升，不属于反冲运动，故D错误。 [答案]　A (2024·黑龙江牡丹江一中期中)一质量为M的火箭喷气发动机每次喷出气体的质量为m，气体离开发动机喷出时的速度大小为v0，从火箭静止开始，当第4次喷出气体后，火箭的速度大小为(　　) A．　　　　 　　 B． C． D． [解析]　设喷出4次气体后火箭的速度为v，以火箭和喷出的4次气体为研究对象，根据动量守恒定律得(M－4m)v－4mv0＝0，可得v＝。 [答案]　A 知识点三　“人船模型”问题 如图所示，一质量为m的人站在一质量为M的船头上，开始时人、船均静止，现在人从船头走向船尾。(水对船的阻力很小) (1)该过程中，人和船组成的系统动量守恒吗？两者速度是什么关系？ (2)该过程中两者对地位移有何关系？ 提示：(1)该过程中，水的阻力忽略不计，人和船的动量守恒，两者速度大小满足mv1＝Mv2，方向相反。 (2)由于mv1＝Mv2，又mv1t＝Mv2t，则mx1＝Mx2，即＝。 1．模型介绍：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0，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．解题关键 (1)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关系。用动量守恒定律求位移的题目，大多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。此种状态下动量守恒的过程中，任意时刻的系统总动量为0。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。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m1－m2＝0，即m1x1－m2x2＝0。 (2)画出各物体的位移关系图，找出它们相对于地面的位移的关系。 4．方法推广：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。 (多选)(2024·河南开封统考期中)如图所示，质量为M、长度为L的船停在平静的湖面上，船头站着质量为m的人，M>m。现在人由静止开始由船头走到船尾，不计船在运动过程中所受的水的阻力，则(　　) A.人和船运动方向相反 B．船运行速度大于人的行进速度 C．由于船的惯性大，当人停止运动时，船还要继续运动一段距离 D．人相对水面的位移大小为L [解析]　对于人和船组成的系统，不计船在运动过程中所受的水的阻力，动量守恒，有mv0＋Mv＝0，所以人和船运动的方向相反，由于M＞m，所以v0＞v，当人停止时，船也停止，根据mx0＝M(L－x0)，解得x0＝L。 [答案]　AD (2024·湖北高二联考期中)如图所示，大气球质量为25 kg，载有质量为50 kg的人，静止在空气中距地面20 m高的地方，气球下方悬一根质量可忽略不计的绳子，此人想从气球上沿绳慢慢下滑至地面，为了安全到达地面，则绳长至少为(不计人的身高，可以把人看作质点)(　　) A．20 m　　　　　 　　 B．40 m C．50 m D．60 m [解析]　设人的质量为m1，气球的质量为m2，系统所受重力与浮力平衡，合外力为零，根据动量守恒定律有m1v1＝m2v2，人与气球运动的距离分别为h＝v1t＝20 m，x＝v2t，得＝，又h＋x＝l，代入数据，绳长至少为l＝60 m。 [答案]　D 1．(对反冲现象的理解和分析)(2024·陕西富平期末)下列运动不属于反冲运动的是(　　) A．乒乓球碰到墙壁后弹回 B．发射炮弹后炮身后退 C．喷气式飞机喷气飞行 D．火箭升空 解析：选A。乒乓球碰到墙壁后弹回是因为受到了墙壁的作用力，不是反冲，A符合题意。系统在内力作用下，当一部分向某一方向的动量发生变化时，剩余部分沿相反方向的动量发生同样大小变化的现象是反冲现象。发射炮弹后炮身后退，是反冲现象；喷气式飞机是利用飞机与气体间的相互作用，而促进飞机前进的，故属于反冲运动；火箭升空是利用反冲原理，是反冲现象，故B、C、D不符合题意。 2．(火箭发射问题)2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭发射圆满成功。在火箭点火发射瞬间，质量为m的燃气以大小为v的速度从火箭喷口在很短时间内喷出。已知发射前火箭的质量为M，则在燃气喷出后的瞬间，火箭的速度大小为(燃气喷出过程不计重力和空气阻力的影响)(　　) A．v　　　　　　　 　　 B．2v C．v D．v 解析：选D。以向上为正方向，由动量守恒定律可得v′－mv＝0，解得v′＝v，D正确。 3.(“人船模型”问题)如图所示，物体A和B质量分别为m1和m2，其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) 解析：选C。 由A、B组成的系统，在相互作用过程中水平方向动量守恒，则m2x－m1(b－a－x)＝0，解得x＝，故C正确，A、B、D错误。 4．(“人船模型”问题)(2024·江苏常州一中期末)有一只小船停靠在湖边码头，小船又窄又长。一位同学想用一个卷尺粗略测定它的质量。他进行了如下操作：首先将船平行于码头自由停泊，轻轻从船尾上船，走到船头停下，而后轻轻下船。用卷尺测出船后退的距离为d，然后用卷尺测出船长为L。已知他的自身质量为m，水的阻力不计，则船的质量为(　　) A． B． C． D． 解析：选B。人和船组成的系统动量守恒，根据人船模型的特点有mx人＝Mx船，x人＋x船＝L，x船＝d，联立解得船的质量M＝。 学科网（北京）股份有限公司 $