2020-2021学年高二人教版物理选修3-5学案：第十六章 5　反冲运动　火箭 Word版含解析

1、5反冲运动火箭一、反冲运动1定义一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分，一部分向某一个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动的现象2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，相互作用力一般较大，通常可以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变为机械能，所以系统的总动能增加3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，以减少反冲的影响两位同学在公园里划船，租船的时间将到，他们把小船划向码头当小船离码头大约1

2、.5 m左右时，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2 m，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(右图)，她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？提示：这位同学与船组成的系统在不考虑水阻力的情况下，所受合外力为零，在她跳前后遵循动量守恒定律她在跳出瞬间，船也要向后运动二、火箭1火箭的工作原理利用反冲运动，火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾喷管迅速喷出时，使火箭获得巨大的速度2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约为2 0004 000 m/s.(2)质量比指火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比喷气速度越大，质量比越大，火箭

3、获得的速度越大2011年11月1日清晨5时58分10秒，中国“长征”二号f遥八运载火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场点火发射，火箭将“神舟”八号飞船成功送入近地点200千米、远地点330千米的预定轨道如图所示为“神舟”八号发射过程中的几个瞬间，图甲是火箭点火开始飞行的瞬间，图乙是助推器分离的瞬间，图丙是火箭一、二级分离的瞬间现代使用的航天火箭几乎都分成几级在使用时，总是让第一级火箭先燃烧，当燃尽了全部推进剂以后，就被丢弃并点燃第二级火箭那么，为什么火箭要这样分级制造呢？分级会带来多大的好处呢？提示：分级火箭有利于提高火箭的最终速度假设有两枚火箭，一枚是单级火箭，一枚是两级火箭第一枚火箭的发射

4、重量是2 000千克，其中装有1 500千克的推进剂，则其质量比是4.根据速度公式可以算出，它的最终速度可以达到每秒3 470米第二枚火箭由各重1 000千克的两级火箭组成，它们分别装有750千克的推进剂表面看来后者的总重与推进剂的重量都与前者相同，但效果却显著不同由于在使用时，第一级火箭在推进剂燃烧完以后可以把它整个抛弃，剩下第二级火箭单独前进所以它的最后质量只有250千克，因此它的质量比是2 0002508，比第一枚火箭提高了一倍计算表明，依靠第一级火箭的推力，可以达到1 175米/秒的速度，然后依靠第二级火箭，又可以进一步把速度提高到5 200米/秒，其速度比单级火箭整整快了近50%.考

5、点一对反冲运动的理解1反冲运动的特点及其遵循的规律(1)特点物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动反冲运动中，由于有其他形式的能转变为机械能，所以系统的总动能增加(2)反冲运动中，以下三种情况均可应用动量守恒定律解决系统不受外力或所受外力之和为零，满足动量守恒的条件，可以用动量守恒定律解决反冲运动问题系统虽然受到外力作用，但内力远远大于外力，外力可以忽略，也可以用动量守恒定律解决反冲运动问题系统虽然所受外力之和不为零，系统的动量并不守恒，但系统在某一方向上不受外力或外力在该方向上的分力之和为零，则系统的动量在该方向上的分量保持不变，可以在该方向上应用动量守恒定律内力的存在不会改变系统的动量，

6、但内力做功往往会改变系统的总动能.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.反冲运动是作用力和反作用力都做正功的典型事例.2分析反冲运动应注意的问题(1)速度的反向性问题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由于动量守恒定律中要求速度为对同一参考系的速度，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后，再列动量守恒定律方程(3)变质量问题在

7、反冲运动中还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为研究过程来进行研究【例1】一火箭喷气发动机每次喷出m200 g的气体，气体离开发动机喷出时的速度v1 000 m/s(相对地面)，设火箭质量m300 kg，发动机每秒喷气20次求当第三次气体喷出后，火箭的速度多大？本题考查反冲运动过程中的动量守恒，解题时应注意火箭动量的变化及动量的方向【答案】2 m/s【解析】法一：喷出气体的运动方向与火箭运动的方向相反，系统动量守恒第一次气体喷出后，火箭速度为v1，有(mm)

8、v1mv0，所以v1；第二次气体喷出后，火箭速度为v2，有(m2m)v2mv(mm)v1，所以v2；第三次气体喷出后，火箭速度为v3，有(m3m)v3mv(m2m)v2，所以v3 m/s2 m/s.法二：选取整体为研究对象，运用动量守恒定律求解设喷出三次气体后火箭的速度为v3，以火箭和喷出三次气体为研究对象，据动量守恒定律，得(m3m)v33mv0，所以v32 m/s.总结提能 (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

9、否为同一参考系，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的速度(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向反冲物体速度的方向与原物体的运动方向是相反的将质量为1.00 kg的模型火箭点火升空，50 g燃烧的燃气以大小为600 m/s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)a30 kg·m/sb5.7×102 kg·m/sc6.0×102 kg·m/sd6.3×102 kg·m/s解析：燃气从火箭喷口喷出的瞬间，火箭和燃气组成的系统动量守恒，设燃气喷

10、出后的瞬间，火箭的动量大小为p，根据动量守恒定律，可得pmv00，解得pmv00.050 kg×600 m/s30 kg·m/s，选项a正确考点二“人船模型”问题的处理1“人船模型”问题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，确定两物体速度关系，再确定两物体通过的位移的关系用动量守恒定律求位移的题目，大都是系统原来处于静止状态，然后系统内物体相互作用，此时动量守恒表达式经常写成m1v1m2v20的形式，式中v

11、1、v2是m1、m2末状态时的瞬时速率此种状态下动量守恒的过程中，任意时刻的系统总动量为零，因此任意时刻的瞬时速率v1和v2都与各物体的质量成反比，所以全过程的平均速率也与质量成反比，即有m11m220.如果两物体相互作用时间为t，在这段时间内两物体的位移大小分别为x1和x2，则有m1m20，即m1x1m2x20.(2)解题时要画出各物体的位移关系草图，找出它们各自相对地面位移的关系【例2】有一只小船停在静水中，船上一人从船头走到船尾如果人的质量m60 kg，船的质量m120 kg，船长为l3 m，则船在水中移动的距离是多少？水的阻力不计【答案】1 m【解析】选人和船组成的系统为研究对象，由于

12、人从船头走到船尾的过程中，系统动量守恒，人起步前系统的总动量为0，当人加速前进时，船加速后退，人停下来，船也停下来设人的平均速度为人，船的平均速度为船，根据动量守恒有m人m船0设人的位移为x人，船的位移为x船，则mm0而x人x船l联立可得x船l×3 m1 m.总结提能 “人船模型”的特点(1)“人”走“船”走，“人”停“船”停；(2)x人l，x船l，x人，x船的大小与人运动的时间和运动状态无关；(3)让式比上式得，在系统满足动量守恒的方向上，人、船的位移与质量成反比载人气球静止于高h的空中，气球的质量为m，人的质量为m，若人沿绳梯滑至地面，则绳梯至少为多长？答案：h解析：气球和人原来

13、静止在空中，说明系统所受合外力为零，故系统在人下滑过程中动量守恒，人着地时绳梯至少应接触地面，设绳梯长为l，人沿绳梯滑至地面，人的位移为x人，球的位移为x球，它们的位移状态图如图所示，由平均动量守恒有：0mx球mx人，又有x球x人l，x人h，故lh.重难疑点辨析爆炸问题炸弹的爆炸、原子核的裂变等都是同类问题，其实质为内力远大于外力，系统动量守恒，动能增加爆炸和碰撞的异同【典例】一枚质量为m的手榴弹，在空中某点运动速度的大小为v，方向沿水平方向手榴弹在该点突然炸裂成两块，质量为m1的一块沿v的反方向飞去，速度大小为v1，求另一块炸裂后的速度v2.【解析】爆炸前，可认为手榴弹是由质量为m1和mm1

14、的两块弹片组成的手榴弹爆炸的过程，可看作是这两块弹片相互作用的过程由于两块弹片所受的爆炸力远大于它们受到的重力，所以满足动量守恒定律两块弹片在炸开前(初状态)的总动量是mv，炸开后(末状态)的总动量为m1v1(mm1)v2.根据动量守恒定律有mvm1v1(mm1)v2所以v2，方向与v相同【答案】，方向与v相同对于爆炸类问题，由于相互作用力是变力，用牛顿运动定律求解非常复杂，甚至根本就无法求解，但用动量守恒定律求解时，只需要考虑过程的始末状态，而不需要考虑过程的具体细节，这正是用动量守恒定律求解问题的优点类题试解有一大炮竖直向上发射炮弹，炮弹的质量为m6.0 kg(内含炸药的质量可以忽略不计)

15、，射出的初速度v060 m/s.当炮弹到达最高点时爆炸为沿水平方向运动的两片，其中一片质量为m4.0 kg.现要求这一片不能落到以发射点为圆心，以r600 m为半径的圆周范围内，则刚爆炸完时两弹片的总动能至少多大？(g取10 m/s2，忽略空气阻力)【解析】设炮弹上升到达最高点的高度为h，根据匀变速直线运动规律，有v2gh.设质量为m的弹片刚爆炸后的速度为v1，另一块的速度为v，根据动量守恒定律有mv1(mm)v0.设质量为m的弹片恰好落到该圆周上，它运动的时间为t，根据平抛运动规律有hgt2，rv1t.炮弹刚爆炸后，两弹片的总动能ekmv(mm)v2.解以上各式得ek·.代入数值得

16、ek6.0×104 j.【答案】6.0×104 j1(多选)下列属于反冲运动的是(acd)a喷气式飞机的运动b直升机的运动c火箭的运动d反击式水轮机的运动解析：反冲现象是一个物体分裂成两部分，两部分朝相反的方向运动，故直升机不是反冲现象2(多选)下列哪些措施有利于增加喷气式飞机的飞行速度(ac)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3假设一个人静止于完全光滑的水平冰面上，现欲离开冰面，下列方法中可行的是(d)a向后踢腿b手臂向后甩c在冰面上滚动d脱下外衣水平抛出解析：踢腿、甩手对系统来讲是内力，内力不改变系统整体的运动状态4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是(b)a燃料燃烧推动空气，空气反作用力推动火箭b火箭发动机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，然后向后推出，空气对火箭的反