物理人教版高中選擇性必修一（2019年新編）1-6 反沖現(xiàn)象 火箭（教案）

§1-6反沖現(xiàn)象火箭一、學習目標1.知道反沖運動的原理，會應用動量守恒定律解決有關反沖運動的問題.2.知道火箭的原理及其應用．二、學習過程【問題探究】點燃“竄天猴”的藥捻，“竄天猴”向下噴出氣體，同時“竄天猴”飛向高空．結合該實例，回答下列問題：(1)反沖運動的物體受力有什么特點？(2)反沖運動過程中系統(tǒng)的動量、機械能有什么變化？【答案】(1)物體的不同部分受相反的作用力，在內(nèi)力作用下向相反方向運動．(2)反沖運動中，相互作用的內(nèi)力一般情況下遠大于外力，所以系統(tǒng)的動量守恒；反沖運動中，由于有其他形式的能轉化為機械能，所以系統(tǒng)的機械能增加．【知識點1】反沖現(xiàn)象1．定義：一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩部分，一部分向某個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動的現(xiàn)象．2．規(guī)律：反沖運動中，相互作用力一般較大，滿足動量守恒定律．3．反沖現(xiàn)象的應用及防止(1)應用：農(nóng)田、園林的噴灌裝置利用反沖使水從噴口噴出時，一邊噴水一邊旋轉．(2)防止：用槍射擊時，由于槍身的反沖會影響射擊的準確性，所以用步槍射擊時要把槍身抵在肩部，以減少反沖的影響．例題1、下列屬于反沖現(xiàn)象的是（）A．乒乓球碰到墻壁后彈回B．直升飛機上升C．用力向后蹬地，人向前運動D．章魚向某個方向噴出水，身體向相反的方向運動【答案】D【詳解】A．乒乓球碰到墻壁后彈回是因為受到了墻壁的作用力，不是反沖，A錯誤；B．直升飛機是利用空氣的浮力上升的，不屬于反沖運動，B錯誤；C．用力向后蹬地，人向前運動，是人腳與外部地面的作用，不屬于反沖，C錯誤；D．章魚向某個方向噴出水，身體向相反的方向運動，章魚向某個方向噴水時，章魚受到沿噴水方向相反的作用力，向噴水的反方向運動，二者相互作用力是系統(tǒng)內(nèi)力，是反沖現(xiàn)象，D正確。故選D。例題2、一只質量為2.8公斤的章魚吸入0.2kg的水，靜止在水中，遇到危險時，它在極短的時間內(nèi)把吸入的水向后完全噴出，以2.5m/s的速度向前逃竄。求該章魚噴出的水的速度大小?！敬鸢浮?5m/s【詳解】根據(jù)動量守恒定律解得代入數(shù)據(jù)【問題探究】1．火箭飛行的工作原理是什么？2．設火箭發(fā)射前的總質量是M，燃料燃盡后的質量為m，火箭燃氣的噴射速度為v，試求燃料燃盡后火箭飛行的最大速度v′.【答案】1．火箭靠向后連續(xù)噴射高速氣體飛行，利用了反沖原理．2．在火箭發(fā)射過程中，由于內(nèi)力遠大于外力，所以可認為動量守恒．取火箭的速度方向為正方向，發(fā)射前火箭的總動量為0，發(fā)射后的總動量為mv′－(M－m)v則由動量守恒定律得0＝mv′－(M－m)v所以v′＝eq\f(M－m,m)v.【知識點2】火箭1．工作原理：噴氣式飛機和火箭的飛行應用了反沖的原理，它們靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度．2．決定火箭增加的速度Δv的因素(1)火箭噴出的燃氣相對噴氣前火箭的速度．(2)火箭噴出燃氣的質量與火箭本身質量之比．例題3、將靜置在地面上，質量為M（含燃料）的火箭模型點火升空，在極短時間內(nèi)以相對地面的速度豎直向下噴出質量為m的熾熱氣體．忽略噴氣過程重力和空氣阻力的影響，則噴氣結束時火箭模型獲得的速度大小是（）A． B． C． D．【答案】D【詳解】在不考慮重力和空氣阻力影響的情況下，火箭及燃料氣體系統(tǒng)在點火噴氣過程中動量守恒，設噴氣后火箭獲得的速度為v，并以v的方向為正方向，根據(jù)動量守恒定律有解得故D正確，ABC錯誤。故選D。例題4、一枚在空中飛行的導彈，質量為M，在某點速度為v，方向水平。導彈在該點突然炸成兩塊，如圖所示，其中質量為m的一塊沿著與v相反的方向飛去，速率為v1.爆炸過程的相互作用時間為Δt，忽略該過程中的重力和空氣阻力，求：（1）爆炸后另一塊的速率v2；（2）爆炸過程中另一塊對質量為m的一塊的平均作用力大小?！敬鸢浮浚?）；（2）【詳解】（1）爆炸過程滿足動量守恒解得（2）對質量為m的一塊用動量定理（向左為正）解得（也可以對另一塊分析）【問題探究】如圖所示，一質量為m的人站在一質量為M的船頭上，開始時人、船均靜止，現(xiàn)在人從船頭走向船尾。(水對船的阻力很小)(1)該過程中，人和船組成的系統(tǒng)動量守恒嗎？兩者速度是什么關系？(2)該過程中兩者對地位移有何關系？【答案】(1)該過程中，水的阻力忽略不計，人和船的動量守恒，兩者速度大小滿足mv1＝Mv2，方向相反。(2)由于mv1＝Mv2又mv1t＝Mv2t則mx1＝Mx2，即eq\f(x1,x2)＝eq\f(M,m)?！局R點3】反沖運動的應用——“人船模型”1．“人船模型”問題兩個原來靜止的物體發(fā)生相互作用時，若所受外力的矢量和為零，則動量守恒．2．人船模型的特點(1)兩物體滿足動量守恒定律：m1eq\x\to(v)1－m2eq\x\to(v)2＝0.(2)運動特點：人動船動，人停船停，人快船快，人慢船慢，人左船右，人、船位移比等于它們質量的反比，即eq\f(x1,x2)＝eq\f(m2,m1).例題5、某人站在靜止于水面的船上，從某時刻開始，人從船頭走向船尾，水的阻力不計，下列說法不正確的是（）A．人勻速運動，船則勻速后退，兩者的速度大小與它們的質量成反比B．人走到船尾不再走動，船也停止不動C．不管人如何走動，人在行走的任意時刻人和船的速度方向總是相反，大小與它們的質量成反比D．船的運動情況與人行走的情況無關【答案】D【詳解】A．人從船頭走向船尾的過程中，人和船組成的系統(tǒng)動量守恒。設人的質量為m，速度為v。船的質量為M，速度為v'。以人行走的速度方向為正方向，由動量守恒定律得0=mv+Mv'解得可知，人勻速行走，v不變，則v'不變，船勻速后退，且兩者速度大小與它們的質量成反比。故A正確，與題意不符；B．人走到船尾不再走動，設整體速度為v"，由動量守恒定律得0=(m+M)v"得v"=0即船停止不動。故B正確，與題意不符；C．系統(tǒng)初始總動量為0，根據(jù)動量守恒定律得0=mv+Mv'解得則不管人如何走動，人在行走的任意時刻人和船的速度方向總是相反，大小與它們的質量成反比。故C正確，與題意不符；D．由上分析知，船的運動情況與人行走的情況有關，人動船動，人停船停。故D錯誤，與題意相符。故選D。跟蹤訓練：有一條捕魚小船?？吭诤叴a頭，小船又窄又長（估計重一噸左右）。一位同學想用一個卷尺粗略測定它的質量，他進行了如下操作：首先將船平行碼頭自由停泊，然后他輕輕從船尾上船，走到船頭后停下，而后輕輕下船，用卷尺測出船后退的距離d，然后用卷尺測出船長L。已知他自身的質量為m，則漁船的質量為多少？【答案】【詳解】如圖所示設該同學在時間t內(nèi)從船尾走到船頭，由動量守恒定律知，人、船在該時間內(nèi)的平均動量大小相等，即又解得§1-6反沖現(xiàn)象火箭作業(yè)班級：學號：姓名：一、選擇題1．下列幾種運動沒有利用反沖的原理的是（）A．烏賊的逃生B．雞蛋“破”與“不破”的訣竅C．宇航員無繩太空行走D．氣球充氣后敞口釋放【答案】B【詳解】A．烏賊的逃生是利用噴出的水的反沖作用，屬于反沖運動，故A不符合題意；B．雞蛋“破”與“不破”的訣竅，是增大作用時間，減小作用力，起到緩沖作用。故B符合題意；C．宇航員無繩太空行走，是利用反沖的原理。故C不符合題意；D．氣球充氣后敞口釋放，利用噴出的氣體的反沖作用而運動的，屬于反沖運動，故D不符合題意。故選B。2．一輛小車置于光滑水平面上，車左端固定一水平彈簧槍，右端裝一網(wǎng)兜。若從彈簧槍中發(fā)射一粒彈丸，恰好落在網(wǎng)兜內(nèi)，結果小車將（空氣阻力不計）（）A．向左移動一段距離停下 B．在原位置沒動C．向右移動一段距離停下 D．一直向左移動【答案】A【詳解】彈簧槍發(fā)射彈丸后，依靠反沖小車向左運動，當飛行的彈丸落入右端網(wǎng)兜時，因系統(tǒng)動量守恒，小車又停止。故選A。3．一個連同裝備共有100kg的宇航員，脫離宇宙飛船后，在離飛船45m的位置與飛船處于相對靜止狀態(tài)。裝備中有一高壓氣源，能以50m/s的速度噴出氣體。航天員為了能在10分鐘內(nèi)返回飛船，他需要在開始返回的瞬間一次性向后噴出氣體的質量是（）A．0.10kg B．0.15kg C．0.20kg D．0.25kg【答案】B【詳解】設宇航員的速度為u，則釋放m1氧氣后，則根據(jù)動量守恒有0=m1v-(M-m1)u代入數(shù)據(jù)得m1=0.15kg故選B。4．如圖所示，我國自行研制的“殲-15”戰(zhàn)斗機掛彈飛行時，接到命令，進行導彈發(fā)射訓練，當戰(zhàn)斗機水平飛行的速度為時，將總質量為M的導彈釋放，剛釋放時，導彈向戰(zhàn)斗機飛行的反方向噴出對地速率為、質量為m的燃氣，則噴氣后導彈相對地面的速率v為（）A． B． C． D．【答案】D【詳解】以導彈飛行的方向為正方向，導彈被戰(zhàn)斗機釋放后導彈噴出燃氣前后瞬間，根據(jù)動量守恒定律得解得故選D。5．如圖所示，裝有炮彈的火炮總質量為m1，炮彈的質量為m2，炮彈射出炮口時對地的速率為v0，若炮管與水平地面的夾角為θ，則火炮后退的速度大小為（設水平面光滑）（）A．v0 B． C． D．【答案】C【詳解】由于炮彈的重力作用，火炮發(fā)射炮彈的過程只有水平方向動量守恒，以向右為正方向，根據(jù)動量守恒定律可得m2v0cosθ-(m1-m2)v=0解得C正確。故選C。6．2021年6月17日9時22分，我國神舟十二號載人飛船發(fā)射圓滿成功。如圖是神舟十二號載人飛船發(fā)射瞬間的畫面，在火箭點火發(fā)射瞬間，質量為m的燃氣以大小為的速度從火箭噴口在很短時間內(nèi)噴出。已知發(fā)射前火箭的質量為M，則在燃氣噴出后的瞬間，火箭的速度大小為（燃氣噴出過程不計重力和空氣阻力的影響）（）A． B． C． D．【答案】D【詳解】以向上為正方向，由動量守恒定律可得解得D正確。故選D。7．一炮艇總質量為M，一速度v0勻速行駛，從炮艇上以相對海岸的水平速度v向前進方向射出一質量為m的炮彈，發(fā)射炮彈后炮艇的速度為v，，若不計水的阻力，則下列關系式中正確的是（）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【答案】A【詳解】對艇和炮彈組組成的系統(tǒng)，開炮過程中動量守恒，開炮后艇的質量變?yōu)椋∕-m），則有Mv0=（M-m）v′+mv故選A。8．如圖所示，一輛小車靜止在光滑水平面上，A、B兩人分別站在車的兩端。當兩人同時相向運動時，下列判斷正確的是（）A．若兩人的速率相同，則小車一定不動B．若兩人的動能相同，則小車一定不動C．若兩人的動量大小相等，則小車一定不動D．若兩人的質量相同，則小車一定不動【答案】C【詳解】小車及人A、B組成的系統(tǒng)滿足動量守恒，且總動量為零，由動量守恒定律，只有當兩人的動量大小相等方向相反時，小車才一定不動，C正確，ABD錯誤。故選C。9．如圖所示，氣球下面有一根長繩，一個質量為m1=50kg的人抓在氣球下方，氣球和長繩的總質量為m2=20kg，長繩的下端剛好和水平面接觸，當靜止時人離地面的高度為h=5m。如果這個人開始沿繩向下滑，當他滑到繩下端時，他離地面高度是（可以把人看做質點）（）A．5m B．3.6m C．2.6m D．8m【答案】B【詳解】當人滑到繩下端時，如圖所示，由動量守恒定律，得且h1＋h2=h解得h1=1.4m所以他離地高度H=h-h1=3.6m故選B。10．質量為m、長度為L的平板小車靜止在光滑的水平面上，一個質量為3m的人立于車的左端。當人向小車右端運動的過程中，下列說法中正確的是()A．人與小車的速度總是大小相等，方向相反B．當人的速度加快時，小車由于慣性會維持原有的速度不變C．當人走到小車右端時，以地面為參考系，人向右運動了D．當人走到小車右端時，以地面為參考系，小車向左運動了【答案】D【詳解】AB．設人和小車的速度大小分別為v1、v2，由動量守恒定律可得可知，人與小車的速度總是方向相反，但大小不相等，當人的速度加快時，小車的速度也會加快，AB錯誤；CD．設人和小車的位移大小分別為x1、x2，由動量守恒的推論（人船模型）可得由滿足x1+x2=L聯(lián)立解得，即當人走到小車右端時，以地面為參考系，人向右運動了，小車向左運動了，C錯誤，D正確。故選D。二、非選擇題11．2022年冬奧會將在北京舉辦，北京成為奧運歷史上第一個既舉辦過夏季奧運會，又舉辦冬奧會的城市。如圖是參賽隊員正在進行短道速滑接力項目的訓練場景，甲運動員靜止在光滑的冰面上，乙運動員以10m/s的水平向右速度從他的后方?jīng)_過來并推動他，甲運動員以6m/s的速度脫離乙而向前滑行。已知甲運動員質量為70kg，乙運動員質量為60kg，求兩運動員相互作用后，乙運動員的速度?！敬鸢浮?m/s，水平向右【詳解】對甲、乙運動員組成的系統(tǒng)，乙推甲→甲脫離乙，以乙的初速度方向為正方向，由動能守恒定律得解得，方向水平向右12．如圖所示，長為l，質量為m的小船停在靜水中，一個質量為m′的人站在船頭，若不計水的阻力，當人從船頭走到船尾的過程中，小船對地的位移是多少？【答案】【詳解】人和小船組成的系統(tǒng)在水平方向不受外力，動量守恒。假設某一時刻小船和人對地的速度分別為v1、v2，由于原來處于靜止狀態(tài)，因此0＝mv1－m′v2即m′v2＝mv1由于相對運動過程中的任意時刻，人和小船的速度都滿足上述關系，故他們在這一過程中平均速率也滿足這一關系，即m′2＝m1，等式兩邊同乘運動的時間t，得m′2t＝m1t即m′x2＝mx1又因x1＋x2＝l，因此有x1＝13．如圖所示，A和B兩小車靜止在光滑的水平面上，質量分別為、,A車上有一質量為的人，相對地面以水平速度v0向右跳上B車，并與B車相對靜止．若不考慮空氣阻力．求：(1)人跳離A車后，A車的速度大小和方向；(2)人跳上B車后，B兩車的速度大?。敬鸢浮浚?），負號表示A車的速度方向向左．（2）【詳解】（1）設人跳離A車后，A車的速度為，研究A車和人組成的系統(tǒng)，以向右為正方向由動量守恒定律有解得負號表示A車的速度方向向左．(2)研究人和B車，由動量守恒定律有解得B速度大小為：14．課外科技小組制作一只“水火箭”，用壓縮空氣壓出水流使火箭運動．假如噴出的水流流量保持為2×10－4m3/s，噴出速度保持為對地10m/s.啟動前火箭總質量為1.4kg，則啟動2s末火箭的速度可以達到多少？已知火箭沿水平軌道運動