高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册反冲现象火箭导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册反冲现象火箭导学案，共4页。
1.了解反冲现象及反冲现象在生活中的应用(重点)。
2.理解火箭的飞行原理，能够应用动量守恒定律分析火箭飞行的问题(难点)。
一、反冲现象
吹饱气的气球松手后，气球喷出气体，同时气球也飞了出去；点燃“窜天猴”的药捻，“窜天猴”喷出亮丽火焰的同时飞向了天空。
分析以下问题：
(1)气球、“窜天猴”的运动方向与它们喷出的气体的运动方向有什么关系？
(2)促使气球、“窜天猴”运动的施力物体是什么物体？
答案 (1)气球、“窜天猴”的运动方向与它们喷出的气体的运动方向相反。(2)它们喷出的气体。
1.定义
一个物体或系统在内力的作用下分裂为两部分，一部分向某个方向运动，另一部分向相反的方向运动的现象。
说明：“相反的方向”理解为一部分相对于另一部分的运动方向相反。
2.规律：反冲运动中，系统内力很大，外力可忽略，满足动量守恒定律。
3.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，系统的动量为0，并且遵循动量守恒定律或在某一方向上动量守恒。
(3)反冲运动中，由于有其他形式的能转化为机械能，所以系统的机械能增加。
4.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。
例1 如图所示，狙击枪重M＝8 kg，射出的子弹质量m为20 g，若子弹射出枪口时的速度为v＝1 000 m/s，不计人对枪的作用力，则枪的后退速度v'是多大？
答案 2.5 m/s
解析 子弹和枪组成的系统动量守恒，以子弹的速度方向为正方向。
作用前：p＝0
作用后： p'＝mv－Mv'
由动量守恒定律得：p＝p'
即0＝mv－Mv'
解得v'＝2.5 m/s。
例2 如图所示，自行火炮车同炮弹的总质量为M，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，自行火炮车的速度变为v2，仍向右行驶，则炮弹相对炮筒的发射速度v0为( )
A.m(v1−v2)＋Mv2m
B.M(v1−v2)m
C.M(v1−v2)＋2mv2m
D.M(v1−v2)−m(v1−v2)m
答案 B
解析 自行火炮车水平匀速行驶时，牵引力与阻力平衡，系统动量守恒。设向右为正方向，发射前动量之和为Mv1，炮弹相对炮筒的发射速度为v0，则炮弹对地的速度为v0＋v2，发射后系统的动量之和为(M－m)v2＋m(v0＋v2)，由Mv1＝(M－m)v2＋m(v0＋v2)，解得v0＝M(v1−v2)m，故选B。
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，可任意规定某一部分的运动方向为正方向，则反方向运动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，若已知相互作用的两物体的相对速度，先将各速度转换成相对同一参考系的速度(地面上物体一般指对地速度)，再列动量守恒方程求解。
二、火箭
1.质量为m的人在远离任何星体的太空中，与他旁边的飞船相对静止，由于没有力的作用，他与飞船总保持相对静止状态。这个人手中拿着一个质量为Δm的小物体。现在他以相对于飞船为u的速度把小物体抛出。
(1)抛出时，人和小物体的受力有什么特点？
(2)小物体的动量改变量是多少？
(3)人的动量改变量是多少？
(4)人的速度改变量是多少？
答案 (1)是一对相互作用力，等大反向
(2)Δm·u (3)－Δm·u (4)－Δm·um
2.火箭发射前的总质量为M、燃料燃尽后火箭的质量为m，火箭燃气的喷射速度为v1。
(1)燃料燃尽后火箭的飞行速度v为多大？
(2)根据(1)中结果讨论如何提高火箭飞行时获得的速度。
答案 (1)在火箭发射过程中，内力远大于外力，所以动量守恒。
以火箭的速度方向为正方向， 发射前的总动量为0；
发射后的总动量为mv－(M－m)v1
由动量守恒定律得：0＝mv－(M－m)v1
得v＝M−mmv1＝(Mm－1)v1。
(2)根据v＝(Mm－1)v1知，若要提高火箭获得的速度应：
①提高火箭喷出的燃气的速度。
②增大火箭发射前的总质量和燃料燃尽后火箭的质量的比值。
(1)烟花点火升空，是地面对烟花的反作用力作用的结果。( × )
(2)火箭加速上升的过程中，火箭的动量守恒，机械能也守恒。( × )
例3 某物理兴趣社在社团活动中发射水火箭如图所示，已知水火箭总质量为3 kg，在极短时间内将2 kg的水以对地8 m/s的速度喷出。空气阻力可忽略，g取10 m/s2，下列说法正确的是( )
A.该过程中系统机械能守恒
B.水火箭靠空气给的反作用力加速
C.喷水后水火箭获得的速度为20 m/s
D.水火箭上升的最大高度约为12.8 m
答案 D
解析 系统由于有其他形式的能转化为机械能，系统机械能不守恒，故A错误；水火箭靠压出的水给的反作用力加速，故B错误；由动量守恒定律有0＝－mv1＋(M－m)v2，得喷水后水火箭获得的速度为v2＝16 m/s，故C错误；水火箭上升的最大高度约为h＝v222g＝12.8 m，故D正确。
例4 在某次火箭发射过程中，假设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。求：
(1)当第三次喷出气体后，火箭的速度大小；
(2)运动第1 s末，火箭的速度大小。
答案 (1)2.0 m/s (2)13.5 m/s
解析 (1)第三次喷出气体后，共喷出的气体质量m1＝3×0.2 kg＝0.6 kg
以火箭初速度方向为正方向，根据动量守恒定律得(M－m1)v1－m1v＝0，
解得v1≈2 m/s
(2)1 s末发动机喷气20次，共喷出的气体质量为m2＝20×0.2 kg＝4 kg
根据动量守恒定律得(M－m2)v'－m2v＝0
则得火箭1 s末的速度大小为v'≈13.5 m/s。
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。