高中物理 第16章 第5节 反冲运动 火箭同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第5节反冲运动火箭 动量守恒定律 火箭与反冲运动反冲运动在日常生活和生产技术中应用十分广泛 我国早在宋代就发明了 火箭 在竹筒里装入火药 把竹筒的前端封闭住 并捆在箭杆上 火药点燃后 燃烧生成的气体以很大速度从筒内向后喷出 箭体向前飞去 约在公元1000年 我国古代就将这种火箭作为兵器使用 到了明代 还制成了原始的二级火箭 在龙体内的第二级火箭是在火箭已经飞到空中以后才点燃的 火箭向前飞行所能达到的最大速度 也就是燃料烧尽时火箭获得的最终速度 它跟什么因素有关呢 根据动量守恒定律 理论上的计算表明 最终速度主要取决于两个条件 一是喷气速度 二是质量比 即火箭开始飞行时的质量与燃料烧尽时的质量之比 喷气速度越大 质量比越大 火箭的最终速度也越大 为了提高喷气速度 需要使用高质量的燃料 目前常用的液体燃料是液氢 用液氧做氧化剂 质量比与火箭的结构 农业灌溉用的自动喷水器如图所示 当水从弯管的喷嘴里喷射出来时 弯管在水的反作用力的推动下会自动旋转 大大增加了喷水的面积 软体动物 例如 鱿鱼 在水中通过体侧的孔将水吸入鳃腔 然后用力把水挤出体外 就会向相反方向游去 火箭是反冲运动的重要应用 它是靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度的 现代火箭主要由壳体和燃料两大部分组成 壳体是圆筒形的 前端是封闭的尖端 后端有尾喷管 燃料燃烧时产生的高温高压气体以很大的速度从尾部向后喷出 火箭就向前飞去 和材料有关 现代火箭能达到的质量比不超过10 在现代技术条件下 一级火箭的最终速度还达不到发射人造卫星所需要的速度 所以 要发射卫星 必须采用多级火箭 1 反冲根据 一个静止的物体在 的作用下分裂成为两个部分 一部分向某个方向运动 另一部分必然向 的方向运动 这个现象叫做反冲 2 火箭 1 喷气式飞机和火箭的飞行应用了 的原理 它们都是靠喷出气流的 而获得巨大速度的 2 设火箭在时间 t内喷射燃气的质量是 m 喷出燃气的速度是u 喷出燃气后火箭质量是m 则由动量守恒定律知火箭获得的速度 v 可见 火箭喷出燃气的速度u 火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比 火箭获得的速度越大 答案 1 动量守恒定律内力相反2 1 反冲反冲作用 2 u越大越大 一 反冲运动1 现象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方向运动 这个现象叫做反冲运动 例如 原来静止的大炮 向前发射炮弹后 炮身就要后退 发射火箭时 火箭向下高速喷射气体 使火箭获得向上的速度 2 反冲运动遵循的规律反冲运动是系统内力作用的结果 虽然有时系统所受的合外力不为零 但由于系统内力远远大于外力 所以系统的总动量是守恒的 3 反冲运动的应用实例 1 利用有益的反冲运动反击式水轮机是使水从转轮的叶片中流出 使转轮由于反冲而旋转 从而带动发电机发电 喷气式飞机是靠喷出的气流的反冲作用而获得巨大的速度 等等 2 避免有害的反冲运动射击时 子弹向前飞去 枪身向后发生反冲 这就会影响射击准确性等 4 在讨论反冲运动问题时 应注意以下几点 1 速度的反向性对于原来静止的整体 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 两者运动向必然相反 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 质量为m的物体以对地速度v抛出一个质量为m的物体 研究剩余部分 m m 对地反冲速度时 设v的方向为正 列出的方程式为mv m m v 0 得v v 由于v 为待求速度 事先可不考虑其方向 由计算结果为负值 表示剩余部分的运动方向与抛出部分速度方向相反 由于我们已明确剩余部分与抛出部分反向 因此可直接列出两部分动量大小相等方程 即上例可列式为mv m m v v v其中v 为剩余部分速率 2 速度的相对性反冲运动中存在相互作用的物体间发生相对运动 已知条件中告知的常常是物体的相对速度 在应用动量守恒定律时 应将相对速度转换为绝对速度 一般为对地速度 一个静止的质量为m的不稳定原子核 放射出一个质量为m的粒子 粒子离开原子核时相对原子核的速度为v0 则原子核剩余部分的速率等于 答案 v0 解析 由于放射过程极短 放射过程中其他外力的冲量均可不计 整个原子核系统动量守恒 设剩余部分对地的反冲速度为v 则粒子的对地速率为v v0 v 由于原子核原来静止 故后来粒子的动量大小等于剩余部分的动量大小 即有m v0 v m m v 所以v v0 即剩余部分速率为v0 点评 注意将粒子的相对速度转化为绝对速度 如果明确了各速度的方向 则相对速度可确定为两种情况 当两者同向时 相对速率为两者速率之差 两者反向时 相对速率为两者速率之和 这样可将矢量式转化为标量式 变式迁移 1 一炮艇总质量为m 以速度v0匀速行驶 从艇上以相对海岸的水平速度v沿前进方向射出一质量为m的炮弹 发射炮弹后艇的速度为v 若不计水的阻力 则下列各关系式中正确的是 a mv0 m m v mvb mv0 m m v m v v0 c mv0 m m v m v v d mv0 mv mv解析 动量守恒定律必须相对于同一参考系 本题中的各个速度都是相对于地面的 不需要转换 发射炮弹前系统的总动量为mv0 发射炮弹后炮弹的动量为mv 船的动量为 m m v 所以动量守恒定律的表达式为mv0 m m v mv 选项a正确 答案 a 二 火箭1 火箭现代火箭是指一种靠喷射高温高压燃气获得反作用力向前推进的飞行器 2 火箭的工作原理 动量守恒定律当火箭推进剂燃烧时 从尾部喷出的气体具有很大的动量 根据动量守恒定律 火箭获得大小相同 方向相反的动量 因而发生连续的反冲现象 随着推进剂的消耗 火箭的质量逐渐减小 加速度不断增大 当推进剂燃尽时 火箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行 3 火箭飞行能达到的最大飞行速度 主要决定于两个因素 1 喷气速度 现代液体燃料火箭的喷气速度约为2 5km s 提高到3 4km s需很高的技术水平 2 质量比 火箭开始飞行的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比 现代火箭能达到的质量比不超过10 4 现代火箭的主要用途利用火箭作为运载工具 例如发射探测仪器 常规弹头和核弹头 人造卫星和宇宙飞船 5 我国的火箭技术已跨入了世界先进行列 运送人造地球卫星的火箭开始工作后 火箭做加速运动的原因 a 燃料推动空气 空气的反作用力推动火箭b 火箭发动机用力将燃料燃烧产生的气体向后推出 气体的反作用力推动火箭c 火箭吸入空气 然后向后排出 空气对火箭的反作用力推动火箭d 火箭燃料燃烧发热 加热周围空气 空气膨胀推动火箭解析 火箭的工作原理是利用反冲运动 是火箭燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾喷管迅速喷出时 使火箭获得反冲速度 故正确答案为选项b 答案 b点评 本题考查了火箭的工作原理 要注意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 而与带螺旋桨的直升机发生相互作用的才是空气 应注意两者的区别 变式迁移 2 一火箭喷气发动机每次喷出m 200g的气体 喷出的气体相对地面的速度v 1000m s 设此火箭初始质量m 300kg 发动机每秒喷气20次 在不考虑地球引力及空气阻力的情况下 火箭发动机1s末的速度是多大 解析 在不考虑地球引力及空气阻力的情况下 火箭与气体组成的系统动量守恒 以火箭和它在1s内喷出的气体为研究对象 设火箭1s末的速度为v 1s内共喷出质量为20m的气体 以火箭前进的方向为正方向 由动量守恒定律得 m 20m v 20mv 0解得 v m s 13 5m s即火箭发动机1s末的速度大小是13 5m s 答案 13 5m s 基础巩固 1 一同学在地面上立定跳远的最好成绩是s 假设他站在车的a端 如右图所示 想要跳上距离为l远的站台上 不计车与地面的摩擦阻力 则 a 只要l s 他一定能跳上站台b 只要l s 他有可能跳上站台c 只要l s 他一定能跳上站台d 只要l s 他有可能跳上站台解析 人起跳的同时 小车要做反冲运动 所以人跳的距离小于s 故l s时 才有可能跳上站台 答案 b 2 双选 一小型火箭在高空绕地球做匀速圆周运动 若其沿运动方向的相反方