主题1动量与动量守恒定律5反冲运动火箭学科素养与目标要求科学思维:1.了解反冲运动及反冲运动的典型事例.2.能够应用动量守恒定律分析反冲运动问题.科学态度与责任:1.了解火箭的飞行原理及决定火箭最终速度大小的因素.2.体会物理学规律在推动人类社会发展中的重要作用.NEIRONGSUOYIN内容索引自主预习预习新知夯实基础重点探究启迪思维探究重点达标检测检测评价达标过关课时对点练注重双基强化落实自主预习一、反冲现象1.定义一个静止的物体在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.规律:反冲运动中,相互作用力一般较,满足.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______.(2)防止:用枪射击时,由于枪身的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.内大旋转动量守恒定律反冲相反二、火箭1.工作原理:利用运动,火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从喷管迅速喷出,使火箭获得巨大的向前的速度.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2000~4000m/s.(2)质量比:火箭初始时的质量与燃料用完时箭体质量之比.喷气速度,质量比,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.反冲尾部越大越大运载即学即用1.判断下列说法的正误.(1)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.()(2)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.()(3)反冲运动的原理既适用于宏观物体,也适用于微观粒子.()(4)在没有空气的宇宙空间,火箭仍可加速前行.()√×√√2.如图1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,炮弹射出出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_________.图1mv0cosαM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v0cosα,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律有:mv0cosα-Mv=0,所以炮车向后反冲的速度大小为v=.mv0cosαM重点探究一、反冲运动的理解和应用导学探究在生活中常见到这样的情形:吹饱的气球松手后喷出气体,同时向相反方向飞去;点燃“钻天猴”的药捻,便会向后喷出亮丽的火焰,同时“嗖”的一声飞向天空;乌贼向后喷出水后,它的身体却能向前运动,结合这些事例,体会反冲运动的概念,并思考以下问题:(1)反冲运动的物体受力有什么特点?答案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)反冲运动过程中系统的动量、机械能有什么变化?答案反冲运动中,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变为机械能,所以系统的机械能增加.知识深化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,所以两部分组成的系统动量守恒或在某一方向动量守恒.(3)反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的总动能增加.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,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速度通常为相对地面的速度.因此应先将相对速度转换成相对地面的速度,再列动量守恒定律方程.例1反冲小车静止放在水平光滑玻璃上,点燃酒精,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=3kg,水平喷出的橡皮塞的质量m=0.1kg.(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=2.9m/s,求小车的反冲速度;答案0.1m/s,方向与橡皮塞运动的方向相反解析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.以橡皮塞运动的方向为正方向根据动量守恒定律,mv+(M-m)v′=0v′=-mM-mv=-0.13-0.1×2.9m/s=-0.1m/s负号表示小车运动方向与橡皮塞运动的方向相反,反冲速度大小是0.1m/s.(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)答案0.05m/s,方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反解析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mvcos60°+(M-m)v″=0v″=-mvcos60°M-m=-0.1×2.9×0.53-0.1m/s=-0.05m/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,反冲速度大小是0.05m/s.二、火箭的工作原理分析导学探究1.火箭飞行的工作原理是什么?答案火箭靠向后连续喷射高速气体飞行,利用了反冲原理.2.设火箭发射前的总质量是M,燃料燃尽后的质量为m,火箭燃气的喷射速度为v,试求燃料燃尽后火箭飞行的最大速度v′.答案在火箭发射过程中,由于内力远大于外力,所以可认为动量守恒.取火箭的速度方向为正方向,发射前火箭的总动量为0,发射后的总动量为mv′-(M-m)v则由动量守恒定律得0=mv′-(M-m)v所以v′=M-mmv=Mm-1v知识深化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调整,一般情况要转换成对地的速度.(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向.例2一火箭喷气发动机每次喷出m=200g的气体,气体离开发动机喷出时的速度v=1000m/s.设火箭质量M=300kg,发动机每秒钟喷气20次.(1)当第三次喷出气体后,火箭的速度多大?答案2m/s解析规定与v相反的方向为正方向设喷出三次气体后,火箭的速度为v3,以火箭和三次喷出的气体为研究对象,据动量守恒定律得:(M-3m)v3-3mv=0,故v3=3mvM-3m≈2m/s(2)运动第1s末,火箭的速度多大?答案13.5m/s解析发动机每秒钟喷气20次,以火箭和喷出的20次气体为研究对象,根据动量守恒定律得:(M-20m)v20-20mv=0,故v20=20mvM-20m≈13.5m/s.三、反冲运动的应用——“人船模型”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:m1v1-m2v2=0.(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m1x1=m2x2.例3有一只小船停在静水中,船上一人从船头走到船尾.如果人的质量m=60kg,船的质量M=120kg,船长为l=3m,则船在水中移动的距离是多少?(水的阻力不计)答案1m解析人在船上走时,由于人、船组成的系统所受合外力为零,总动量守恒,因此系统的平均动量也守恒,如图所示.设人从船头到船尾的时间为t,在这段时间里船后退的距离为x,人相对地面运动的距离为l-x,选船后退方向为正方向,由动量守恒有:Mxt-ml-xt=0所以x=mM+ml=60120+60×3m=1m.[学科素养]例3通过“人船模型”的构建,进一步巩固动量守恒定律的应用和对反冲运动的理解,较好地体现了物理“科学思维”的学科素养.针对训练(2018·孝感八校联盟高二下期末联考)如图2所示,大气球质量为100kg,载有质量为50kg的人,静止在空气中距地面20m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,则这绳长至少应为(可以把人看做质点)A.10mB.30mC.40mD.60m图2√解析人与气球组成的系统动量守恒,设人的速度为v1,气球的速度为v2,运动时间为t.以人与气球组成的系统为研究对象,以向下为正方向,由动量守恒得:m1v1-m2v2=0,则m1s人t-m2s气球t=0,代入数据:50×s人t-100×s气球t=0,得s气球=12s人=12×20m=10m,则绳子长度L=s气球+s人=10m+20m=30m,即绳子至少30m长,故选B.“人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题,解决这类问题应明确:(1)适用条件: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在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒(如水平方向或竖直方向).(2)画草图:解题时要画出各物体的位移关系草图,找出各长度间的关系,注意两物体的位移是相对同一参考系的位移.总结提升达标检测1.(反冲运动的理解)关于反冲运动的说法中,正确的是A.抛出部分的质量m1要小于剩下部分的质量m2才能获得反冲B.若抛出部分的质量m1大于剩下部分的质量m2,则m2的反冲力大于m1所受的力C.反冲运动中,牛顿第三定律适用,但牛顿第二定律不适用D.抛出部分和剩余部分都适用于牛顿第二定律√12342.(反冲运动的计算)(2017·全国卷Ⅰ)将质量为1.00kg的模型火箭点火升空,50g燃烧的燃气以大小为600m/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(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)A.30kg·m/sB.5.7×102kg·m/sC.6.0×102kg·m/sD.6.3×102kg·m/s√解析设火箭的质量为m1,燃气的质量为m2.由题意可知,燃气的动量p2=m2v2=50×10-3×600kg·m/s=30kg·m/s.以火箭运动的方向为正方向,根据动量守恒定律可得,0=m1v1-m2v2,则火箭的动量大小为p1=m1v1=m2v2=30kg·m/s,所以A正确,B、C、D错误.12343.(反冲运动的计算)(2018·孝感八校联盟高二下期末联考)静止的实验火箭,总质量为M,当它以相对地面的速度v0喷出质量为Δm的高温气体后,火箭的速度为1234A.ΔmM-Δmv0B.-ΔmMv0C.ΔmMv0D.-ΔmM-Δmv0√解得:v=-ΔmM-Δmv0,负号表示火箭的运动方向与v0方向相反.解析火箭整体动量守恒,以v0的方向为正方向,则有(M-Δm)v+Δmv0=0,4.(人船模型的迁移)质量为m、半径为R的小球,放在半径为2R、质量为2m的大空心球内,大球开始静止在光滑水平面上.当小球从如图3所示的位置无初速度沿内壁滚到最低点时,大球移动的距离是图3A.R2B.R3C.R4D.R6√又x小球+x大球=R,所以x大球=13R,B正确.解析由水平方向平均动量守恒有:mx小球=2mx大球,1234课时对点练一、选择题考点一反冲运动的理解和应用1.小车上装有一桶水,静止在光滑水平地面上,如图1所示,桶的前、后、底及侧面各装有一个阀门,分别为S1、S2、S3、S4(图中未全画出).要使小车向前运动,可采用的方法是A.打开阀门S1B.打开阀门S2C.打开阀门S3D.打开阀门S4√图1解析根据反冲特点,当阀门S2打开时,小车将受到向前的推力,从而向前运动,故B项正确,A、C、D均错误.123456789101112132.(多选)向空中发射一物体,不计空气阻力,当此物体的速度恰好沿水平方向时,物体炸裂成a、b两块,若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向,则A.b的速度方向一定与原速度方向相反B.从炸裂到落地的这段时间里,a飞行的水平