高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 反冲现象 火箭背景图课件ppt

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目 标 素 养1.了解反冲运动及反冲运动的典型事例,形成正确的物理观念。2.能够应用动量守恒定律分析反冲运动问题,培养科学思维能力。3.知道火箭的飞行原理及决定火箭最终速度大小的因素,了解我国航天技术的发展,发掘学生探索新知识的潜能。
一、反冲现象1.概念:根据动量守恒定律,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的现象。2.反冲现象的应用及防止。(1)应用:农田、园林的喷灌装置是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,以减小反冲的影响。
微判断1.反冲运动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.乌贼的运动利用了反冲的原理。(　　)
二、火箭1.工作原理:喷气式飞机和火箭的飞行应用了反冲的原理,它们都靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的速度。2.构造:主要有两大部分——箭体和燃料。3.特点:箭体和喷出的燃料气体满足动量守恒定律。4.影响火箭获得速度大小的因素。(1)喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度通常在2 000~5 000 m/s。(2)质量比: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。
微思考螺旋桨飞机能在月球上正常飞行吗?为什么?提示:不能。螺旋桨飞机靠旋转的螺旋桨与空气的相互作用而获得动力,不能在真空环境中飞行。
重难归纳1.反冲运动的特点和规律。(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动,一般情况下,系统动量守恒,或系统在某一方向上动量守恒。(2)物体间发生相互作用时,有其他形式的能转变为机械能,所以系统的总动能增加,作用力和反作用力一般都做正功。
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,则反方向的另一部分的速度应取负值。(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为研究过程来进行研究。
某次太空实验中,宇航员正在舱外活动,假设移动装置中的气体能以50 m/s的速度喷出,宇航员连同装备共100 kg,开始时宇航员和飞船保持相对静止,相互之间的距离为7.5 m,宇航员必须在100 s内到达飞船,则喷出气体的质量至少为多少?
提示:喷出气体的质量至少为0.15 kg。设宇航员反冲获得的速度为u,则 ,设喷出气体的质量为m,宇航员连同装备的质量为m',喷出气体的过程系统动量守恒,以气体的速度方向为正方向,由动量守恒定律得mv-(m'-m)u=0,解得m=0.15 kg。
典例剖析【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。小车的总质量m车=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)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,方向与橡皮塞在水平方向的分运动的方向相反
解析:(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。以橡皮塞运动的方向为正方向,根据动量守恒定律有mv+(m车-m)v'=0
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0.1 m/s。
(2)小车和橡皮塞组成的系统水平方向动量守恒,以橡皮塞在水平方向的分运动的方向为正方向,有mvcs 60°+(m车-m)v″=0
负号表示小车运动方向与橡皮塞在水平方向的分运动的方向相反,反冲速度大小是0.05 m/s。
规律总结反冲运动和碰撞、爆炸有相似之处,相互作用力常为变力,且作用力大,一般都满足内力远大于外力,所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。
学以致用1.某校课外科技小组制作了一只“水火箭”,用压缩空气压出水流使火箭运动。假如喷出的水流流量保持为2×10-4 m3/s,喷出速度保持水平且对地为10 m/s。启动前火箭总质量为1.4 kg,则启动2 s末火箭的速度可以达到多少?已知火箭沿水平轨道运动,阻力不计,水的密度是103 kg/m3。答案:4 m/s
解析:“水火箭”喷出水流做反冲运动,设火箭原来总质量为m,喷出水流的流量为Q,水的密度为ρ,水流的喷出速度为v,火箭的反冲速度为v',由动量守恒定律得(m-ρQt)v'=ρQtv火箭启动后2 s末的速度为
重难归纳1.工作原理。火箭是利用了反冲原理,发射火箭时,尾管中喷射出的高速气体有动量,根据动量守恒定律,火箭就获得向上的动量,从而向上飞去。即mΔv+Δmu=0
2.分析火箭类问题应注意的地方。(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不是同一参考系,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速度。(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向。喷出气体速度的方向与原气体的运动方向是相反的。
我国宋代就发明了火箭(如图甲),火箭上扎一个火药筒,火药筒的前端是封闭的,火药点燃后火箭由于反冲向前运动。现代火箭原理与古代火箭相同(如图乙),你知道我国长征号系列火箭是怎样先后将神舟号系列载人飞船送上太空的吗?
提示:火箭靠喷射高温高压燃气获得反作用力,将神舟系列飞船送入太空。
典例剖析【例2】一火箭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。设火箭质量m火=300 kg,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?(2)运动第1 s末,火箭的速度多大?答案:(1)2.0 m/s　(2)13.5 m/s
规律总结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,一般而言,反冲后两物体的运动方向是相反的。
学以致用2.一枚火箭搭载着卫星以速率v0进入太空预定位置,由控制系统使箭体与卫星分离。已知前部分的卫星质量为m1,后部分的箭体质量为m2,分离后箭体以速率v2沿火箭原方向飞行,若忽略分离前后系统质量的变化,则分离后卫星的速率v1为(　　)
解析:根据动量守恒定律,得(m1+m2)v0=m1v1+m2v2,v1=v0+ (v0-v2),选项D正确。
重难归纳1.“人船模型”问题的特征: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;在相互作用的过程中,任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比。这样的问题归为“人船模型”问题。
2.处理“人船模型”问题的关键。(1)利用动量守恒定律,确定两物体速度关系,再确定两物体通过的位移的关系。
(2)解题时要画出各物体的位移关系草图,找出它们相对地面的位移关系。
3.适用条件。“人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题。(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,注意两物体的位移是相对同一参考系的位移。
4.“人船模型”的推论。(1)运动特点:人动船动,人停船停,人快船快,人慢船慢,人左船右。
如图所示,有一只船停靠在湖边码头,船又窄又长,估计重一吨左右。一人(示意图)想粗略测定它的质量。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d,然后用卷尺测出船长L。已知他的自身质量为m,水的阻力不计。
探究1:从人开始在船上走动直到下船的过程中,人和船组成的系统动量是否守恒?探究2:人和船的任一时刻的速度大小满足怎样的关系?探究3:此人能测出船的质量m0吗?(用题目中字母表示)
提示:探究1:水的阻力不计,人和船组成的系统所受合外力为零,系统动量守恒。探究2:设任一时刻船和人的速度大小分别为v船和v人,根据动量守恒定律得m0v船=mv人。
典例剖析【例3】 有一艘质量为m'=120 kg的船停在静水中,船长l=3 m,船上一个质量为m=60 kg的人从船头走到船尾。不计水的阻力,则船在水中移动的距离为(　　)A.0.5 mB.1 mC.2 mD.3 m答案:B
规律总结处理“人船模型”问题的关键1.利用动量守恒,确定两物体速度关系,再确定两物体通过的位移的关系。 2.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。
学以致用3.如图所示,质量为m,半径为r的小球,放在内半径为R,质量m'=3m的大空心球内,大球开始静止在光滑水平面上,求当小球由图中位置无初速度释放沿内壁滚到最低点时,大球移动的距离。
解析:由于水平面光滑,系统水平方向上动量守恒,设同一时刻小球的水平速度大小为v1,大球的水平速度大小为v2,由水平方向动量守恒有mv1=m'v2,
设小球到达最低点时,小球的水平位移为x1,大球的水平位移为x2,
1.(多选)以下叙述的现象利用了反冲现象的有(　　)A.火箭喷气升空　　B.篮球触地反弹C.乌贼喷水快速退游D.潜水艇排水浮出答案:AC解析:火箭喷气升空和乌贼通过喷水快速退游是利用了反冲原理;篮球触地反弹是地面对球有作用力,不属于反冲;潜水艇排水浮出是利用浮力,也不属于反冲。故选项A、C正确,B、D错误。
2.手持铁球的跳远运动员起跳后,欲提高跳远成绩,可在运动到最高点时,将手中的铁球(　　)A.竖直向上抛出B.向前方抛出C.向后方抛出D.向左方抛出答案:C解析:欲提高跳远成绩,则应增大水平速度,即增大水平方向的动量,所以可将铁球向后抛出,人和铁球的总动量守恒,因为铁球的动量向后,所以人向前的动量增加。
3.(多选)采取下列哪些措施有利于增加喷气式飞机的飞行速度(　　)A.使喷出的气体速度更大B.减轻飞机自身质量C.使喷出的气体质量更大D.使喷出的气体密度更小答案:ABC
解析:把喷气式飞机和喷出的气体看成系统,设原来的总质量为m',喷出的气体质量为m,速度是v,剩余质量的速度是v',规定飞机的速度方向为正方向,由系统动量守恒得出mv-(m'-m) v'=0,解得 ,由上式可知m越大,v越大,m'越小,则v'越大,故选项A、B、C正确,D错误。
4.一个质量为m',底边长为b的三角形斜劈静止于光滑水平面上,有一个质量为m的小球由斜面顶部无初速度滑到底部时,斜劈移动的距离是(　　)
解析:小球和斜劈系统水平方向动量守恒,设斜劈移动x,则m'x=m(b-x),解得 ,故选项B正确。
5.某人在一只静止的小船上练习射击,船、人连同枪(不包括子弹)及靶的总质量为m',枪内有n颗子弹,每颗子弹的质量为m,子弹水平射出枪口相对于地的速度为v0,子弹打入靶中且留在靶里。在射完n颗子弹后,小船的最终速度为(　　)
解析:以船、人连同枪、靶以及枪内n颗子弹组成的系统为研究的对象,水平方向上动量守恒。以子弹的初速度方向为正方向,射击前系统的总动量为0,由动量守恒定律可知,子弹射入靶中后系统的总动量也为零,所以小船的最终速度为0,选项A正确。
6.如图所示,大气球质量为25 kg,载有质量为50 kg的人(示意图),静止在空气中距地面20 m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,则这绳子至少有多长?(不计人的高度,可以把人看作质点)