2020-2021学年6 反冲现象 火箭导学案

6．反冲现象　火箭

[核心素养·明目标]

知识点一　反冲现象

1．定义：发射炮弹时，炮弹从炮筒中飞出，炮身则向后退。炮身的这种后退运动叫作反冲。

2．规律：反冲现象中，系统内力很大，外力可忽略，满足动量守恒定律。

3．反冲现象的防止及应用

(1)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。

(2)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。

　如图所示，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。这种现象利用了什么原理？

提示：反冲原理。

1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)

(1)反冲现象可以用动量守恒定律来处理。 (√)

(2)一切反冲现象都是有益的。  (×)

(3)章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理。 (√)

2：填空

如图所示，自动火炮连同炮弹的总质量为M，当炮管水平，火炮车在水平路面上以v1的速度向右匀速行驶中，发射一枚质量为m的炮弹后，自动火炮的速度变为v2，仍向右行驶，则炮弹相对炮筒的发射速度v0＝________。

[解析]　炮弹相对地的速度为v0＋v2。由动量守恒定律得Mv1＝(M－m)v2＋m(v0＋v2)，得v0＝。

[答案]　

知识点二　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因素

一是喷气速度，二是火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比。喷气速度越大，质量比越大，火箭获得的速度越大。

　由火箭的工作原理可知，与火箭发生相互作用的是火箭喷出的燃气，而不是外界的空气。

3：思考辨析(正确的打√，错误的打×)

(1)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。  (×)

(2)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行。     (√)

(3)火箭获得的速度仅与喷气的速度有关。     (×)

考点1　对反冲运动的理解

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．处理反冲运动应注意的问题  

(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来进行研究。

【典例1】　反冲小车静止放在水平光滑玻璃上，点燃酒精，蒸汽将橡皮塞水平喷出，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。

(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，小车的反冲速度又如何(小车一直在水平方向运动)?

思路点拨：(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。(2)小车和橡皮塞组成的系统在水平方向动量守恒。

[解析]　(1)以橡皮塞运动的方向为正方向，根据动量守恒定律有

mv＋(M－m)v′＝0

v′＝－v＝－×2.9 m/s＝－0.1 m/s

负号表示小车的运动方向与橡皮塞运动的方向相反。

(2)以橡皮塞运动的水平分运动方向为正方向，有

mvcos 60°＋(M－m)v″＝0

v″＝－＝－ m/s＝－0.05 m/s

负号表示小车的运动方向与橡皮塞运动的水平分运动的方向相反。

[答案]　(1)0.1 m/s，方向与橡皮塞运动的方向相反

(2)0.05 m/s，方向与橡皮塞运动的水平分运动的方向相反

反冲运动和碰撞、爆炸有相似之处，相互作用力常为变力，且作用力大，一般都满足内力≫外力，所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。

1．(2020·江苏如东中学等四校联考)一个士兵在皮划艇上，他连同装备和皮划艇的总质量为M，这个士兵用自动步枪沿水平方向射出一发质量为m的子弹，子弹离开枪口时相对步枪的速度为v，射击前皮划艇是静止的，则射出子弹后皮划艇的速度为(　　)

A．  B．

C．   D．

B　[子弹与皮划艇组成的系统动量守恒，以子弹的速度方向为正方向，以地面为参考系，设皮划艇的速度为v1，则子弹的速度为v－v1，由动量守恒定律得m(v－v1)－(M－m)v1＝0，解得v1＝，选项B正确。]

考点2　对火箭工作原理的理解

1．工作原理

应用反冲运动，其反冲过程动量守恒。它靠向后喷出的气流的反冲作用而获得向前的速度。

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，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。

【典例2】　一火箭的喷气发动机每次喷出m＝200 g的气体，气体离开发动机喷出时的速度v＝1 000 m/s(相对地面)，设火箭的质量M＝300 kg，发动机每秒喷气20次，求当第三次气体喷出后，火箭的速度为多大？

思路点拨：火箭喷气属反冲现象，火箭和气体组成的系统动量守恒，运用动量守恒定律求解。

[解析]　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，据动量守恒定律，得(M－3m)v3－3mv＝0

所以v3＝≈2 m/s。

[答案]　2 m/s

火箭类反冲问题解题要领

(1)两部分物体初、末状态的速度的参考系必须是同一参考系，且一般以地面为参考系。

(2)要特别注意反冲前、后各物体质量的变化。

(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向。

2．总质量为M的火箭以速度v0飞行，质量为m的燃气相对于火箭以速率u向后喷出，则火箭的速度大小为(　　)

A．v0＋ B．v0－

C．v0＋(v0＋u) D．v0＋

A　[设喷出气体后火箭的速度大小为v，则燃气的对地速度为(v－u)(取火箭的速度方向为正方向)，由动量守恒定律，得Mv0＝(M－m)v＋m(v－u)

解得v＝v0＋，A项正确。]

1．(多选)(2020·湖北孝感期中联考)2019年春节上映的国产科幻大片《流浪地球》中有这样的情节：为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机，推动地球离开太阳系，用2 500年的时间奔往另外一个栖息之地。这个科幻情节中有反冲运动的原理。现实中的下列运动属于反冲运动的有 (　　)

A．汽车的运动     B．直升机的运动

C．火箭的运动     D．反击式水轮机的运动

CD　[汽车的运动利用了汽车的牵引力，不属于反冲运动，故A错误；直升机的运动利用了空气的反作用力，不属于反冲运动，故B错误；火箭是利用喷气的方式获得动力的，其运动属于反冲运动，故C正确；反击式水轮机利用了水的反冲作用而获得动力，其运动属于反冲运动，故D正确。]

2.如图所示，装有炮弹的火炮总质量为m1，炮弹的质量为m2，炮弹射出炮口时对地的速率为v0，若炮管与水平地面的夹角为θ，则火炮后退的速度大小为(设水平地面光滑)   (　　)

A．v0　　　　　　 B．

C．   D．

C　[炮弹和火炮组成的系统水平方向动量守恒，0＝m2v0cos θ－(m1－m2)v，得v＝，选项C正确。]

3．“长征五号”系列运载火箭是目前中国运载能力最大的火箭，又称“胖五”。2019年12月27日20时45分，“长征五号”遥三运载火箭在中国文昌航天发射场成功将“实践二十号”卫星送入预定轨道。模拟发射火箭的实验如下：静止的实验火箭，总质量为M＝2 100 g，当它以对地速度为v0＝840 m/s喷出质量为Δm＝100 g的高温气体后，火箭的对地速度为(喷出气体过程中重力和空气阻力可忽略不计)(　　)

A．42 m/s     B．－42 m/s

C．40 m/s     D．－40 m/s

B　[火箭喷出气体过程中重力和空气阻力可忽略不计，可知火箭和喷出的气体在竖直方向的动量守恒，以喷出气体的速度方向为正方向，由动量守恒定律得Δmv0＋(M－Δm)v＝0，解得v＝－42 m/s，选项B正确。]

4．(新情境题，以空间飞行器为背景，考查反冲原理)在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器，又称空间飞行器(spacecraft)。航天器是执行航天任务的主体，是航天系统的主要组成部分。由于外太空是真空的，飞行器在加速过程中一般使用火箭推进器，火箭在工作时利用电场加速带电粒子，形成向外发射的粒子流而对飞行器产生反冲力，由于阻力极小，只需一点点动力即可以达到很高的速度。我国发射的“实践9号”携带的卫星上第一次使用了离子电推力技术，从此为我国的航天技术开启了一扇新的大门。如图所示，已知飞行器的质量为M，发射的是2价氧离子，发射功率为P，加速电压为U，每个氧离子的质量为m，元电荷为e，原来飞行器静止，不计发射氧离子后飞行器质量的变化，求：

(1)射出的氧离子速度大小；

(2)每秒钟射出的氧离子数；

(3)射出离子后飞行器开始运动的加速度大小。

[解析]　(1)以氧离子为研究对象，根据动能定理，有2eU＝mv2

所以，氧离子速度为v＝2。

(2)设每秒钟射出的氧离子数为N，则发射功率可表示为P＝NΔEk＝2NeU

所以，每秒射出的氧离子数为N＝。

(3)以氧离子和飞行器组成的系统为研究对象，设飞行器的反冲速度为v1，取飞行器的速度方向为正方向，根据动量守恒定律，t时间内有0＝Mv1＋Ntm(－v)

飞行器的加速度为a＝

可得a＝。

[答案]　(1)2　(2)　(3)

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．反冲过程中以相互作用的两部分为系统是否满足动量守恒？

提示：满足。

2．火箭的工作原理是什么？

提示：反冲原理。

3．应用反冲原理分析火箭发射时，研究对象是什么？

提示：箭体和喷出的气体。

宇航员太空行走

太空行走(Walking in space)又称为出舱活动。是载人航天的一项关键技术，是载人航天工程在轨道上安装大型设备、进行科学实验、施放卫星、检查和维修航天器的重要手段。要实现太空行走这一目标，需要诸多的特殊技术保障。

帮助航天员怀特实现太空行走的是自足式手提机动喷射器。这个装置主要由两个氧气储罐和一个压力调节器组成，重3.4千克，其中高压氧气推进剂重约0.13千克。它每秒能产生约181牛的推力，速度为1.82米/秒，相当于普通人慢跑的速度。该装置有3个喷管，2个喷管对着后方，1个喷管对着前方。开动对着后方的2个喷管，即可推着航天员向前移动，开动对着前方的1个喷管，即可停止移动。

问题

1．宇航员太空行走用到的自足式手提机动喷射器的原理是什么？

提示：反冲原理。

2．宇航员太空行走速度的快慢和什么有关？

提示：手提机动喷射器的喷射速度和喷出气体的质量。