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1、课时16.5反冲运动火箭1.经历实验探究,认识生活中的反冲运动。2.用动量守恒定律解释反冲运动,进一步提高运用动量守恒定律分析、解决实际问题的能力。3.知道火箭的工作原理和主要用途,了解我国航天、导弹事业的发展。重点难点:运用动量守恒定律去分析、解决反冲运动问题。教学建议:教学中要做好反冲实验,通过观察实验现象,使学生了解什么是反冲运动;可以让学生根据生活经验列举出其他反冲运动的例子;反冲运动既有有利的一面,也有不利的一面,教师要注意利用教材中的实例培养学生在看待事物时一分为二的辩证观点;教材对火箭的工作原理作了说明,并对火箭在燃料燃尽时所获得的最终速度与哪些因素有关进行了讨论,这是本节课的难
2、点,教师要结合前面所学的知识,引导学生应用动量守恒定律进行分析、讨论。导入新课:上节课我们学习了物体间的一种相互作用碰撞,物体间的相互作用除碰撞以外还有另一种方式,也较常见,那就是反冲运动。那么,反冲运动与碰撞过程有什么异同点呢?反冲运动又遵循什么规律呢?这就是本节课我们要研究的问题。1.反冲(1)根据动量守恒定律知,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,这种现象叫作反冲。(2)举出几个生活中反冲现象的例子:章鱼运动、射击时枪身向后移、“冲天炮”、喷气式飞机等。2.火箭(1)火箭和喷气式飞机的飞行应用了反冲原理,它们都是靠向后喷出高
3、速气流的反冲作用而获得巨大的速度的。(2)火箭喷出的燃气的速度越大、火箭喷出的物质的质量与火箭本身的质量之比越大,火箭获得的速度越大。为了能使火箭达到发射卫星所需要的速度,前苏联科学家奥尔科夫斯基提出了多级火箭的概念。(3)我国自行研制的火箭于1964年首次升空;我国于1970 年成功发射第一颗人造卫星。 1.章鱼游泳时应用了什么物理原理?解答:章鱼游泳时应用了动量守恒定律。当章鱼用力把体内的水压出时,水流具有动量,由动量守恒定律可知,章鱼会向相反方向运动起来。2.用枪射击时,子弹向前飞去,枪身发生反冲向后运动。如果把枪和子弹组成系统,那么该系统的机械能守恒吗?解答:不守恒。在没有发射子弹之前
4、系统的动能为0,但发射了子弹之后,子弹、枪身都具有了动能,所以在射击的过程中系统的机械能不守恒。3.“嫦娥三号”在月球表面着陆的过程中,曾悬浮在距月面约100米的空中静止不动,你知道它是如何做到的吗?解答:“嫦娥三号”在月球表面着陆的过程中,开启了推力发动机,向“嫦娥三号”运动的方向喷出燃气,给“嫦娥三号”一个反推力,使其减速,当速度等于0,且反推力等于重力时,“嫦娥三号”便可悬浮在空中不动。主题1:反冲情景:如图所示,用薄铝箔卷成一个细管,一端封闭,另一端留一个很细的口,内装有从火柴头上刮下的药粉,把细管放在支架上,用火柴或其他办法给细管加热,当管内药粉点燃时,生成的燃气从细口迅速喷出,细管
5、便向相反的方向飞去。问题:为什么燃气和细管的运动方向会相反? 解答:当气体从管内喷出时,它具有动量,由动量守恒定律可知,细管会向相反方向运动。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,这个现象叫反冲运动。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。知识链接:反冲运动中,相互作用力使系统一部分获得某一方向的动量,另一部分获得相反方向的动量。主题2:火箭情景:“长征五号”是中国研制的新一代无毒、无污染、高性能、低成本和大推力的重型运载火箭系列,在“长征五号”大型运载火箭和海南文
6、昌航天发射基地问世后,中国航天将具备将1.2吨至25吨的有效载荷送入近地轨道,1.8吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道的能力,推动中国空间应用产业、载入航天技术和天文科学的发展,也必将大大提高中国在国际航天发射市场上的竞争能力。问题:你了解火箭的原理和性能参数吗? 解答:发射火箭的原理火箭利用了反冲原理。发射火箭时,尾管中向下喷射出的高速气体有动量,根据动量守恒定律知:火箭将获得向上的动量,从而向上飞去。设火箭在时间t内喷射燃气的质量是m,喷气速度是u,喷气后火箭的质量是m,火箭获得的速度是v,根据动量守恒定律有:mv+mu=0解得:v=-mmu。决定火箭性能的参数根据v=-mmu可知,
7、火箭性能参数与喷气速度u和喷射的燃气质量与喷气后火箭质量之比mm有关。知识链接:火箭的速度与发动机的喷气速度成正比,同时随火箭的质量比增大而增大。主题3:探究反冲与碰撞的联系与区别问题:(1)反冲运动与一维碰撞有什么相同之处?(2)反冲运动与一维碰撞过程中机械能的变化有什么不同?解答:(1)反冲运动与一维碰撞都是短时间内进行的,且系统内力远大于外力,系统动量守恒。(2)一维碰撞的过程中,机械能可能不变,也可能减少,但不会增加;而反冲运动过程中,机械能有时不变,但更多的时候是增加的。知识链接:在反冲、碰撞、爆炸的过程中,相互作用力常为变力,作用力大,一般内力远大于外力,动量近似守恒。1.(考查反
8、冲运动)一人静止于完全光滑的水平冰面上,现欲离开冰面,下列方法可行的是()。A.向后踢腿B.手臂向前甩C.在冰面上滚动D.脱下外衣水平抛出【解析】以人作为整体为研究对象,向后踢腿或手臂向前甩,人整体的总动量为0,不会运动起来,故A、B错误;因为是完全光滑的水平冰面,没有摩擦力,人是滚不了的,C错误;把人和外衣视为一整体,这个整体动量为0,人给外衣一个速度,动量总量不变,所以人也可以有一个反向的速度,可以离开冰面,D正确。【答案】D2.(考查对反冲运动动量守恒的应用)向空中发射一物体,不计空气阻力。当此物体的速度恰好沿水平方向时,炸裂成a、b两块。若质量较大的a的速度方向仍沿原来的方向,则()。
9、A.b的速度方向一定与原速度方向相反B.从炸裂到落地的这段时间里,a飞行的水平距离一定比b的大C.a、b一定同时到达水平地面D.在炸裂过程中,a、b受到的爆炸力的冲量大小一定相等【解析】根据题设物理过程知其动量守恒,动量守恒表达式为:(m1+m2)v0=m1v1+m2v2设m1为较大的一块的质量,则从上式知,若v0与v1均为正值,那么v2可能为正,也可能为负,即v2可能为原方向,也可能为反方向。若v2为反向,则v2大于、等于、小于v1的可能性都存在。若v2为正方向,因题设没有v1一定大于或等于v0的条件,则v2大于、等于、小于v1的可能性也都存在,因而A、B均不对。由于各自速度水平,即做平抛运
10、动,不论速度大小如何,下落时间都为t=2g,两者同时落地。炸裂过程m1与m2的相互作用遵循牛顿第三定律,其冲量相等,且反向,因而C、D正确。【答案】CD3.(考查反冲运动中速度的相对性)有一炮艇总质量为M,以速度v1匀速行驶,从艇上沿前进方向水平射出一颗质量为m的炮弹,已知炮弹相对于炮艇的速度为v,不计水的阻力。若发射后炮艇的速度为v2,则它们的关系为()。A.(M+m)v2+m(v-v1)=Mv1B.(M-m)v2+m(v+v1)=Mv1C.(M-m)v2+mv=Mv1D.(M-m)v2+m(v+v2)=Mv1【解析】发射炮弹前,炮艇的动量为Mv1,发射炮弹后,炮艇的质量为Mm,动量为(M-
11、m)v2,炮弹相对于炮艇的速度为v,相对于地面的速度为v+v2,所以炮弹的动量为m(v+v2),根据动量守恒定律有(M-m)v2+m(v+v2)=Mv1。【答案】D4.(考查对动量守恒定律与动量定理的综合应用)步枪的质量为4 kg,子弹的质量为0.008 kg,子弹从枪口飞出时的速度为700 m/s,如果战士抵住枪托,阻止枪身后退,枪身与战士的作用时间为0.05 s,求战士身上受到的平均冲力大小。【解析】子弹飞出时,由于内力较大,可以认为子弹和枪组成的系统动量守恒,子弹飞出时枪有一个反冲的速度,而战士用身体抵住枪托使枪身速度减为零,已知作用的时间可以求出战士身上受到的平均冲力。设枪和子弹的质量
12、分别为M和m,速度分别为v1和v2,选取枪身后退的速度v1的方向为正方向。Mv1+m(-v2)=0,即v1=mv2M=1.4 m/s对枪身应用动量定理,对枪的平均作用力为F-Ft=0-Mv1,得F=112 N。【答案】112 N拓展一:反冲运动与速度的相对性1.一个静止的质量为M的不稳定原子核,放射出一个质量为m的粒子, 求:(1)粒子离开原子核时速度为v0,原子核剩余部分的速率大小。(2)粒子离开原子核时相对原子核的速度大小为v0,原子核剩余部分的速率大小。【分析】质量为M的原子核释放一个质量为m的粒子时,由于相互之间的内力作用使粒子获得速度v0,此过程为反冲作用,原子核剩余部分一定也获得相
13、反方向的速度,系统总动量不变。在列动量守恒关系式时要注意所有动量必须是相对于同一个参考系的。【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。(1)设剩余部分对地的反冲速度为v,由于原子核原来静止,故后来粒子的动量大小等于原子核剩余部分的动量大小,即有mv0=(Mm) v解得: v=mv0M-m。(2)设原子核剩余部分对地的反冲速度大小为v,则粒子的对地速率为v=v0v。由于原子核原来静止,故后来粒子的动量大小等于原子核剩余部分的动量大小,即有m(v0v)=(Mm) v所以v=mv0M即原子核剩余部分速率为mv0M。【答案】(1)mv0M-m(2)mv0M【点
14、拨】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;当两者反向时,相对速率为两者速率之和,这样可将矢量式转化为标量式。拓展二:火箭的多次喷气2.火箭喷气发动机每次喷出质量m=0.2 kg的气体,喷出的气体相对地面的速度为v=1000 m/s,设火箭的初始质量M=300 kg,发动机每秒喷气20次,若不计地球对它的引力作用和空气阻力作用,求火箭发动机工作5 s后火箭的速度。【分析】每一次喷出气体,火箭的速度就发生一次变化,显然火箭速度的变化次数很多。不过由于本题中每次喷出的气体相对于地面的速度都相同,因此喷出n次质量为
15、m的气体与一次以同样的速度喷出质量为nm的气体产生的效果是相同的。【解析】以火箭(包括在5 s内要喷出的气体)为系统,系统的总动量守恒,以火箭的运动方向为正方向,则5 s后火箭的动量为(M-m205)v,所喷出的气体动量为-(m205)v,由动量守恒定律得:(M-m205)v-(m205)v=0代入数据,得v=71.4 m/s。【答案】71.4 m/s【点拨】运用动量守恒定律时,只需要知道系统的初状态和末状态,不需要知道过程和细节。 拓展三:反冲运动的综合应用3.如图所示,在沙堆表面放置一长方形木块A,其上再放一质量为0.10 kg的爆竹B,木块A的质量为mA=6.0 kg。当爆竹爆炸时,因反冲作用使木块陷入沙中。从爆竹爆炸到木块停止下陷历时0.1 s,已知木块在沙中受到的平均阻力是90 N,求爆竹能上升的最大高度。设爆竹中火药的质量及空气阻力忽略不计,取g=10 m/s2。【分析】在爆竹爆炸的瞬间,A与B组成的系统进行反冲运动,不计外力的影响,系统动量守恒。然后A物体在阻力与重力的作用下向下做减速运动,动量减为零。与此同时,爆竹在重力的作用下做竖直上抛运动,到达最高点时,动能全
