人教版 (新课标)选修35 反冲运动 火箭教案

这是一份人教版 (新课标)选修35 反冲运动 火箭教案，共8页。










eq \([先填空])


1．定义


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个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动，这个现象叫做反冲．


2．反冲原理


反冲运动的基本原理是动量守恒定律，如果系统的一部分获得了某一方向的动量，系统的其他部分就会在这一方向的反方向上获得同样大小的动量．


3．公式


若系统的初始动量为零，则动量守恒定律的形式变为0＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反冲运动的两部分的动量大小相等、方向相反，而它们的速率与质量成反比．


eq \([再判断])


1．做反冲运动的两部分的动量一定大小相等，方向相反．(√)


2．一切反冲现象都是有益的．(×)


3．章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理．(√)


eq \([后思考])


1．反冲运动中，内力做功的代数和是否为零？


【提示】 不为零．反冲运动中，两部分受到的内力做功的代数和为正值．


2．两位同学在公园里划船，当小船离码头大约1.5 m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(如图16­5­1所示)，她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？





图16­5­1


【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．





eq \([合作探讨])


如图16­5­2所示，为一条约为180 kg的小船漂浮在静水中，当人从船尾走向船头时，小船也发生了移动，不计水的阻力．





图16­5­2


探讨1：小船发生移动的动力是什么力？小船向哪个方向运动？


【提示】 摩擦力．向左运动，即与人行的方向相反．


探讨2：当人走到船头相对船静止时，小船还运动吗？为什么？


【提示】 不运动．小船和人组成的系统动量守恒，当人的速度为零时，船的速度也为零．


探讨3：当人从船尾走到船头时，有没有可能出现如图16­5­3甲或如图乙的情形？为什么？





甲 乙


图16­5­3


【提示】 不可能．由系统动量守恒可知，人和船相对于地面的速度方向一定相反，不可能向同一个方向运动，且人船位移比等于它们质量的反比．


eq \([核心点击])


1．反冲运动的特点及遵循的规律


(1)特点：是物体之间的作用力与反作用力产生的效果．


(2)条件：①系统不受外力或所受外力的矢量和为零．②内力远大于外力；③系统在某一方向上不受外力或该方向上所受外力之和为零．


(3)反冲运动遵循动量守恒定律．


2．讨论反冲运动应注意的两个问题


(1)速度的反向性


对于原来静止的物体，被抛出部分具有速度时，剩余部分的运动方向与被抛出部分必然相反．


(2)速度的相对性


一般都指对地速度．


3．“人船模型”问题


(1)定义


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)特点


①两物体满足动量守恒定律：m1eq \x\t(v)1－m2eq \x\t(v)2＝0.


②运动特点：人动船动，人停船停，人快船快，人慢船慢，人左船右；人船位移比等于它们质量的反比；人船平均速度(瞬时速度)比等于它们质量的反比，即eq \f(x1,x2)＝eq \f(\x\t(v)1,\x\t(v)2)＝eq \f(m2,m1).


③应用此关系时要注意一个问题：即公式中eq \x\t(v)1、eq \x\t(v)2和x1、x2一般都是相对地面而言的．





1．小车上装有一桶水，静止在光滑水平地面上，如图16­5­4所示，桶的前、后、底及侧面各装有一个阀门，分别为S1、S2、S3、S4(图中未画出)，要使小车向前运动，可采用的方法是打开阀门________．





图16­5­4


【解析】 根据水和车组成的系统动量守恒，原来系统动量为零，由0＝m水v水＋m车v车知，车的运动方向与水的运动方向相反，故水应向后喷出．


【答案】 S2


2．质量为M的热气球吊筐中有一质量为m的人，共同静止在距地面为h的高空中．现从气球上放下一根质量不计的软绳，为使此人沿软绳能安全滑到地面，则软绳至少有多长？


【解析】





如图所示，设绳长为L，人沿软绳滑至地面的时间为t，由图可知，L＝x人＋x球．设人下滑的平均速度大小为v人，气球上升的平均速度大小为v球，由动量守恒定律得：0＝Mv球－mv人即0＝Meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x球,t)))－meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x人,t)))，0＝Mx球－mx人


又有x人＋x球＝L，x人＝h


解以上各式得：L＝eq \f(M＋m,M)h.


【答案】 eq \f(M＋m,M)h





解决“人船模型”应注意两点


(1)适用条件：


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(如水平方向或竖直方向)．


(2)画草图：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，注意两物体的位移是相对同一参考系的位移．











eq \([先填空])


1．原理


火箭的飞行应用了反冲的原理，靠喷出气流的反冲作用来获得巨大速度．


2．影响火箭获得速度大小的因素


一是喷气速度，二是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．


eq \([再判断])


1．火箭点火后离开地面向上运动，是地面对火箭的反作用力作用的结果．(×)


2．在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行．(√)


3．火箭发射时，火箭获得的机械能来自于燃料燃烧释放的化学能．(√)


eq \([后思考])


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？


【提示】 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．





eq \([合作探讨])


如图16­5­5所示，是多级运载火箭的示意图，发射时，先点燃第一级火箭，燃料用完后，空壳自动脱落，然后下一级火箭开始工作．





图16­5­5


探讨1：火箭点火后能加速上升的动力是什么力？


【提示】 燃烧产生的气体高速向下喷出，气体产生的反作用力推动火箭加速上升．


探讨2：要提升运载物的最大速度可采用什么措施？


【提示】 提高气体喷射速度，增加燃料质量，及时脱离前一级火箭空壳．


eq \([核心点击])


1．火箭的速度


设火箭在Δt时间内喷射燃气的质量为Δm，速度为u，喷气后火箭的质量为m，获得的速度为v，由动量守恒定律：0＝mv＋Δmu，得v＝－eq \f(Δm,m)u.


2．决定因素


火箭获得速度取决于燃气喷出速度u及燃气质量与火箭本身质量之比eq \f(Δm,m)两个因素．


3．多级火箭


由于受重力的影响，单级火箭达不到发射人造地球卫星所需要的7.9 km/s，实际火箭为多级．


多级火箭发射时，较大的第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二级、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担，使火箭达到远远超过使用同样多的燃料的一级火箭所能达到的速度．目前多级火箭一般都是三级火箭，因为三级火箭能达到目前发射人造卫星的需求．





3．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( )


【导学号：54472019】


A．燃料推动空气，空气反作用力推动火箭


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】 火箭工作中，动量守恒，当向后喷气时，则火箭受一向前的推力从而使火箭加速，故只有B正确．


【答案】 B


4．(多选)采取下列哪些措施有利于增加火箭的飞行速度( )


【导学号：54472020】


A．使喷出的气体速度更大


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


【解析】 设火箭原来的总质量为M，喷出的气体质量为m，速度是v，剩余的质量为(M－m)，速度是v′，由动量守恒得：(M－m)v′＝mv得：v′＝eq \f(mv,M－m)，由上式可知：m越大，v越大，v′越大．故A、C正确．


【答案】 AC


5．一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(相对地面)，设火箭质量M＝300 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？


【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


(M－m)v1－mv＝0


所以v1＝eq \f(mv,M－m)


第二次气体喷出后，火箭速度为v2，有


(M－2m)v2－mv＝(M－m)v1


所以v2＝eq \f(2mv,M－2m)


第三次气体喷出后，火箭速度为v3，有


(M－3m)v3－mv＝(M－2m)v2


所以v3＝eq \f(3mv,M－3m)＝eq \f(3×0.2×1 000,300－3×0.2) m/s＝2 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


(M－3m)v3－3mv＝0


所以v3＝eq \f(3mv,M－3m)＝2 m/s.


【答案】 2 m/s





火箭类问题的三点提醒


(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．








学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解反冲运动的概念及反冲运动的一些应用.


2.知道反冲运动的原理．(重点)


3.掌握应用动量守恒定律解决反冲运动问题．(重点、难点)


4.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素．(难点)
反 冲 运 动
火 箭