高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 动量守恒定律学案及答案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 动量守恒定律学案及答案，共13页。学案主要包含了反冲现象，火箭等内容，欢迎下载使用。
第6节 反冲现象 火箭课标解读课标要求素养要求1.了解反冲的概念及反冲现象的一些应用。2.理解反冲现象的原理，能够应用动量守恒定律解决反冲运动问题。3.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素。1.物理观念：理解反冲的概念，了解反冲在实际问题中的应用。2.科学思维：会应用动量守恒定律解决相关反冲问题。3.科学态度与责任：了解航天技术的发展和宇宙航行，了解中国火箭发展历程，增强民族自豪感。自主学习·必备知识 教材研习教材原句要点 反冲现象发射炮弹时，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①。自主思考①（1）把一个气球吹起来，用手握住气球的通气口，然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。气球为什么会沿气嘴相反方向运动？（2）假如在月球上建一飞机场，应配置喷气式飞机还是螺旋桨飞机呢？答案：（1）提示 气体喷出是因为球壁对球内气体有作用力,使气体的动量增加，气体对球壁的反作用力使气球的动量也增加。（2）应配置喷气式飞机。喷气式飞机利用反冲运动原理，可以在真空中飞行，而螺旋桨飞机是靠转动的螺旋桨与空气的相互作用力飞行的，不能在真空中飞行。名师点睛1.反冲现象中，物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。2.反冲现象中，系统内力很大，外力可忽略，满足动量守恒定律。互动探究·关键能力探究点一 反冲现象情境探究1.两位同学在公园里划船，当小船离码头大约 时，有一位同学心想：自己在体育课上立定跳远的成绩从未低于 ，跳到岸上绝对没有问题。于是她纵身一跳，结果却掉到了水里(如图所示)，她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？答案：提示 这位同学与船组成的系统在不考虑水的阻力的情况下，所受合外力为零，在她跳起前后遵循动量守恒定律。在她向前跳起瞬间，船要向后运动。探究归纳1.反冲的理解根据动量守恒定律，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，另一部分必然向相反的方向运动。2.反冲运动的三个特点（1）物体的两个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，所以可以用动量守恒定律或在某一方向上应用动量守恒定律来处理。（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。3.讨论反冲运动是应注意的三个问题（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，两者的运动方向必然相反。在列动量守恒方程时，可规定任意某一部分的运动方向为正方向，则反方向运动的这一部分的速度要取负值。（2）速度的相对性：反冲运动的问题中，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要求速度是对同一惯性参考系的速度（通常为对地的速度），因此应先将相对速度转换成对地的速度，再列动量守恒定律关系式。（3）变质量问题：在反冲运动中会经常遇到变质量物体的运动，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进行研究。探究应用例 反冲小车静止放置在水平光滑玻璃上，点燃酒精，水蒸气使橡皮塞水平喷出，小车沿相反方向运动。如果小车的总质量 ，水平喷出的橡皮塞的质量 。（1）若橡皮塞喷出时获得的水平速度 ，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°，小车的反冲速度又如何（小车一直在水平方向运动）?答案：（1） 方向与橡皮塞运动的方向相反（2） 方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反解析：提示 橡皮塞水平喷出时系统动量守恒且总动量为零，根据动量守恒定律得若橡皮塞喷出时速度大小不变，方向与水平方向成60°，小车和橡皮塞组成的系统在水平方向动量守恒。以橡皮塞运动的水平分运动方向为正方向，有 。易错提醒反冲运动的特别提醒（1）外力的存在，不影响系统的动量守恒。（2）内力做的功往往会改变系统的总动能。（3）要明确反冲运动对应的过程，弄清初、末状态的速度大小和方向的对应关系。迁移应用1.如图所示，装有炮弹的火炮总质量为 ，炮弹的质量为 ，炮弹射出炮口时相对地面的速率为 ，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. B.C. D.答案：1.解析：1.炮弹和火炮组成的系统水平方向动量守恒， ，得 ， 正确。2.将质量为 的模型火箭点火升空， 燃烧的燃气以大小为 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. B.C. D.答案：2.解析：2.由于喷气时间短，且不计重力和空气阻力，则火箭和燃气组成的系统动量守恒。燃气的动量 ，则火箭的动量 ， 正确。探究点二 火箭情境探究1.2020年11月24日4时30分，中国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，顺利将探测器送入预定轨道。长征五号火箭高57米，重约879吨，地面起飞总推力约1052.4吨（严格来讲应该为10 524千牛，用吨表示是为了便于直观理解）。因为火箭的推力大于重力，所以就能加速往上飞了。长征五号由芯一级、芯二级和四个助推器组成，芯级火箭的直径达5米，四个助推器的直径均为3.35米。火箭整体看起来比较粗大，因此有“胖五”的昵称。你知道我国“长征”号系列火箭是怎样将探测器送上太空的吗？答案：提示 火箭靠喷射高温高压燃气获得反作用力，将探测器送入太空。探究归纳1.火箭加速的原理设火箭飞行时在极短的时间 内喷射燃气的质量是 ，喷出的燃气相对喷气前火箭的速度是 ，喷出燃气后火箭的质量是 ，火箭在这样一次喷气后增加的速度为 。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 ，燃气的动量是 。根据动量守恒定律，喷气后火箭和燃气的总动量仍然为0，所以解出①式表明，火箭喷出的燃气的速度 越大、火箭喷出燃气的质量与火箭本身质量之比 越大，火箭获得的速度 越大。2.现代火箭的发射原理由于现代火箭喷气的速度在 ，近期内难以大幅度提高；火箭的质量比（火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比）一般要小于10，故为使火箭达到发射人造地球卫星的 的速度，需采用多级火箭，即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，不过实际应用中一般不会超过四级。探究应用例 一火箭喷气发动机每次喷出 的气体，气体离开发动机时的速度 （相对地面），设火箭质量 。求当第三次喷出气体后，火箭的速度大小。（保留一位有效数字）答案：解析：解法一：喷出气体的运动方向与火箭的运动方向相反，系统动量守恒设火箭运动方向为正方向，第一次喷出气体后，火箭速度为 ，有 ，所以设第二次喷出气体后，火箭速度为 ，有 ，所以设第三次喷出气体后，火箭速度为 ，有 ，所以解法二：选取整个过程为研究对象，运用动量守恒定律求解设喷出三次气体后火箭的速度为 ，以火箭和喷出的三次气体为研究对象，根据动量守恒定律，得所以变式 原题中，发动机每秒喷气20次。求火箭运动至第1 末的速度为多大。（结果保留一位小数）答案： 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 ，故 。技巧点拨火箭类反冲问题解题要领（1）两部分初、末状态的速度所选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、后两部分对应的质量。（3）列方程时要注意初、末状态动量的方向，一般而言，反冲部分速度的方向与另一部分的运动方向是相反的。迁移应用1.火箭发射后，在升空过程中向后喷出高速燃气，从而获得较大的前进速度。燃料耗尽时，火箭达到最大速度，对火箭最大速度的制约因素是(      )A.火箭初始质量和喷出气体速度B.火箭初始质量和喷出气体总质量C.火箭喷出气体总质量和喷气速度D.火箭喷气速度和火箭始末质量比答案：1.解析：1.分别用 、 表示火箭初始质量和在极短时间内喷出一部分燃气后剩余的质量， 表示喷气速度大小，火箭喷气过程动量守恒，有 ，解得火箭速度增加量 ，由此式可以得知对火箭最大速度的制约因素是火箭喷气速度和火箭始末质量比， 正确。2.将静置在地面上、质量为 （含燃料）的火箭模型点火升空，在极短时间内以相对地面的速度 竖直向下喷出质量为 的炽热气体。忽略喷气过程中重力和空气阻力的影响，则喷气结束时火箭模型获得的速度大小是(      )A. B.C. D.答案：2.解析：喷气过程中忽略重力和空气阻力的影响，动量守恒。由动量守恒定律有 ，得 ， 正确。评价检测·素养提升课堂检测1.（2021山东泰安高二期中）一质量为 的烟花飞到空中，当速度减为零时炸裂成两块，其中质量为 的一块在炸裂后获得的速度大小为 ，则另一块的速度大小为(      )A. B. C. D.答案：1.解析：1.在爆炸极短时间内，烟花所受的重力远小于内部的爆炸力，系统动量守恒；根据动量守恒定律，有 ，即可求得另一块烟花的速度大小。2.（多选）采取下列哪些措施有利于增加火箭的飞行速度(      )A.使喷出的气体速度增大B.使喷出的气体温度更高C.使喷出的气体质量更大D.使喷出的气体密度更小答案：2. ; 解析：2.设火箭的初动量为p，原来的总质量为 ，喷出的气体质量为 、速度大小是 ，火箭剩余的质量 的速度大小是 ，由动量守恒定律得 ，得 ，由上式可知 、 越大， 越大。3.（2021河北衡水高二检测）小车上装有一桶水，静止在光滑水平地面上，如图所示，桶的前、后、底及侧面各装有一个阀门，分别为 、 、 、 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 B.打开阀门C.打开阀门 D.打开阀门答案：3.解析：3.根据反冲特点即可判断。素养视角科学思维人船模型如图所示，长为 、质量为 船的小船停在静水中，质量为 人的人由静止开始从船的一端走到船的另一端，不计水的阻力。以人和船组成的系统为研究对象，在人由船的一端走到船的另一端的过程中，系统水平方向不受外力作用，所以整个系统水平方向动量守恒，可得 =船 ，因人和船组成的系统动量始终守恒，故有 = ，由图可看出 ，可解得 ,素养演练 1.有一只小船停靠在湖边码头，小船又窄又长（估计质量为一吨左右）。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 ，然后用卷尺测出船长 。已知他的自身质量为 ，水的阻力不计，则船的质量为(      )A. B.C. D.答案：1.解析：设人走动的时候船的速度为 ，人的速度为 ，人从船头走到船尾用时为 ，人的位移为 ，船的位移为 ，所以 ， 。以船后退的方向为正方向，根据动量守恒定律有 ，可得 ，小船的质量 ，故 正确。2.如图所示，气球下面有一根长绳，一个质量为 的人抓在气球下方，气球和长绳的总质量为 ，长绳的下端刚好和水平地面接触，当静止时人离地面的高度为 。如果这个人开始沿绳向下滑，当他滑到绳下端时，他离地面高度是（可以把人看作质点）(      )A. B.C. D.答案：2.解析：当人滑到绳下端时，由动量守恒定律，得 ，且 。解得 ；所以他离地高度 ， 正确。3.如图所示，将一质量为 的小球从放置在光滑水平地面上质量为 的光滑半圆形槽的槽口 点由静止释放，经过最低点 运动到 点，下列说法中正确的是(      )A.从 ，半圆形槽运动的位移一定大于小球在水平方向上运动的位移B.从 ，半圆形槽和小球组成的系统动量守恒C.从 ， 点可能是小球运动的最高点D.小球最终在半圆形槽内做往复运动答案：3.解析：小球与半圆形槽水平方向动量守恒， ，则 ， ，如果 ，则 ，故 错误；从 ，半圆形槽和小球组成的系统水平方向合力为零，水平方向动量守恒，竖直方向合力不为零，总动量不守恒，故 错误；从 ，系统机械能守恒，小球到达最高点时，系统速度为零， 点应与 点等高，故 错误；小球从右侧最高点过 经 运动到左边最高点 时，速度又减到零，如此反复，故 正确。4.（多选）（2021河南九校高二期中）小车静止在光滑水平地面上，站在车上的人练习打靶，靶装在车上的另一端，如图所示。已知车、人、枪和靶的总质量为 （不含子弹），每颗子弹质量为 ，共 发，打靶时，枪口到靶的距离为 。若每发子弹打入靶中，就留在靶里，且待前一发打入靶中后，再打下一发。空气阻力不计，则以下说法中正确的是(      )A.待打完 发子弹后，小车将以一定的速度向右匀速运动B.待打完 发子弹后，小车应停在射击之前位置的右方C.在每一发子弹的射击过程中，小车所发生的位移不相同D.在每一发子弹的射击过程中，小车所发生的位移相同，大小均为答案：4. ; 解析：子弹、枪、人、车系统水平方向不受外力，水平方向动量一直守恒，子弹射击前系统总动量为零，子弹射入靶后总动量也为零，故仍然是静止的；设子弹速度为 ，车后退速度大小为 ，以向左为正，根据动量守恒定律，有 ；子弹匀速前进的同时，车匀速后退，故 ，联立解得 ， ；故车后退距离为 ；每发子弹从发射到击中靶过程，车均后退 ，故 发子弹发射完毕后，小车后退 ；由于整个系统动量守恒，初动量为零，故打完 发后，车静止不动，小车应停在射击之前位置的右方，故 、 错误， 、 正确。