高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 反冲现象 火箭教学设计

第一章　动量守恒定律

第6节　反冲现象 火箭

本节课程成是在学生学习了动量守恒定律以后，将其应用在实际生活中的一种典型的物理现象，学生通过观看演示实验从中体会反冲现象，知道反冲现象的本质是系统动量守恒，并且能够对反冲现象进行定量的运算是本节课程的主要意义所在。

【物理观念】能结合动量守恒定律对反冲现象做出解释；

【科学思维】进一步提高运用动量守恒定律分析和解决实际问题的能力

【科学探究】通过演示视频，探究实验中的物理关系，分析得到什么是反冲运动，知道反冲运动的本质，并具备对反冲类问题进行定量运算的能力。

【科学态度与责任】通过介绍我国成功地研制和发射长征系列火箭的事实，结合我国古代对于火箭的发明和我国的现代火箭技术已跨入世界先进先烈，激发学生热爱社会主义的情感。

【教学重点】如何应用动量守恒定律分析、解决反冲运动。

【教学难点】动量守恒定律对反冲运动进行定量计算。

一、【引入新课】

思考：

你知道章鱼、乌贼是怎样游动的吗？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。章鱼能够调整喷水的方向，这样可以使得身体向任意方向前进。章鱼游动时体现了什么物理原理？

下列哪些是反冲运动，并且符合动量守恒定律

        孔明灯                                 火箭弹

         沙漏

二、【进行新课】

探究点一、反冲现象

做一做：

1.把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口（图甲），然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。

2.如图乙，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。

反冲现象：

定义： 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）

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内力远大于外力（或在某一方向上内力远大于外力），系统动量守恒或在某一方向动量守恒。

③机械能增加

反冲运动的理论依据

反冲运动和碰撞、爆炸相似，相互作用力一般很大，一般满足内力>>外力，所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。

探究点二、火箭

      古代火箭                        现代火箭                      火箭结构图

现代火箭的知识

作用：发射洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船.

原理：利用反冲运动.

结构：为了提高速度，实行多级（不超过四级）火箭发射.

思考与讨论：

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的状态。这个人手中拿着一个质量为 ∆m 的小物体。现在他以相对于飞船为 u 的速度把小物体抛出（图 ）。

1. 小物体的动量改变量是多少？

2. 人的动量改变量是多少？

3. 人的速度改变量是多少？

思考与讨论中所描述的情境与火箭发射的原理大致相同。设火箭飞行时在极短的时间∆t内喷射燃气的质量是∆m，喷出的燃气相对喷气前火箭的速度是 u，喷出燃气后火箭的质量是 m。我们就可以计算火箭在这样一次喷气后增加的速度∆v。以喷气前的火箭为参考系。喷气前火箭的动量是 0，喷气后火箭的动量是 m∆ v，燃气的动量是∆ mu。

根据动量

守恒定律，喷气后火箭和燃气的总动量仍然为 0，所以：m∆ v ＋∆ mu ＝ 0

解出：∆ v ＝－     

上式表明，火箭喷出的燃气的速度 u 越大、火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比越大，火箭获得的速度∆ v就越大。

 科学漫步

三级火箭

现代火箭发动机的喷气速度通常在 2 000 ～ 5 000 m/s，近期内难以大幅度提高。因此，若要提高火箭的速度，需要在减轻火箭本身质量上下功夫。火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比叫作火箭的质量比。这个参数一般小于 10，否则火箭结构的强度就有问题。但是，这样的火箭还是达不到发射人造地球卫星的 7.9 km/s 的速度。

    为了解决这个问题，科学家提出了多级火箭的概念。把火箭一级一级地接在一起，第一级燃料用完之后就把箭体抛弃，减轻负担，然后第二级开始工作，这样一级一级地连起来，理论上火箭的速度可以提得很高（图）。但是实际应用中一般不会超过四级，因为级数太多时，连接机构和控制机构的质量会增加很多，工作的可靠性也会降低

    我国自 1956 年建立了专门的航天研究机构到现在，火箭技术有了长足的发展。截至 2017 年底，已经完成近 300 次各种卫星的发射任务，成功地实现了载人航天飞行，并在国际航天市场占有一席之地（图）。我国的火箭技术已经跨入了世界先进行列。

课堂重点知识小结

1. 知道什么是反冲运动

2.反冲运动的特点：1).物体原先静止

2).内力作用下一分为二

3).两部分运动方向相反

3.原理:动量守恒定律

4.了解火箭构造和原理，知道影响火箭的因素

随堂练习

例1、(单选)如图所示，相同的平板车A、B、C成一直线静止在水平光滑的地面上，C车上站立的小孩跳到B车上，接着又立刻从B车上跳到A车上。小孩跳离C车和B车的水平速度相同，他跳到A车上后和A车相对静止，此时三车的速度分别为vA、vB、vC，则下列说法正确的是(　　)。

A．vA＝vC                   B．vB＝vC

C．vC＞vA＞vB                  D．B车必向右运动

【答案】：C

【解析】人与C，mv0－mCvC＝0，vC＝；人与B，由动量守恒知，vB＝0；人与A，有mv0＝(m＋mA)vA，vA＝，所以有vC＞vA＞vB，C项正确。

例2、(单选）下列关于反冲运动的说法中,正确的是(　　)

A.抛出物体的质量要小于剩下物体的质量才能获得反冲

B.若抛出物体A的质量大于剩下物体B的质量,则B受的反冲力大于A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.对抛出部分和剩余部分,牛顿第二定律都适用

【答案】：D

【解析】：反冲运动中并没有确定两部分物体之间的质量关系,故选项A错误。在反冲运动中,两部分物体之间的作用力是一对作用力与反作用力,由牛顿第三定律可知,它们大小相等、方向相反,故选项B错误。在反冲运动中,一部分物体受到的另一部分物体的作用力产生了该部分的加速度,使该部分的速度逐渐增大,在此过程中,对每一部分牛顿第二定律都适用,故选项C错误,选项D正确。

例3、(多选)下列说法中正确的是(　　  )

A.火箭靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度

B.体操运动员在着地时屈腿是为了减小地面对运动员的作用力

C.用步枪射击时要用肩部抵住枪身是为了减少反冲的影响

D.为了减轻撞车时对司乘人员的伤害程度,发动机舱越坚固越好

【答案】：ABC

【解析】：火箭靠喷出气流,通过反冲获得前进的动力,从而获得巨大速度,A正确;体操运动员在着地时屈腿是为了延长作用时间来减小地面对运动员的作用力,B正确;用步枪射击时要用肩部抵住枪身是为了减少反冲的影响,C正确;为了减轻撞车时对司乘人员的伤害程度,需要延长碰撞的时间,减小作用力,所以发动机舱不能太坚固,D错误。