人教版(新教材)高中物理选择性必修1学案：1 6 反冲现象 火箭

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE1第6节反冲现象火箭核心素养物理观念科学思维科学态度与责任1.了解什么是反冲现象和反冲在生活中的应用。2.知道火箭的飞行原理和主要用途。会应用动量守恒定律解决有关反冲问题。了解航天技术的发展和宇宙航行。知识点一反冲现象〖观图助学〗两位同学在公园里划船。租船时间将到，她们把小船划向码头。当小船离码头大约2m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2m，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)。她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？(假设起跳时船已静止)〖答案〗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。所以人跳出时相对地的速度比在地上起跳时速度小，人不可能跳到岸上。1.定义：发射炮弹时，炮弹从炮筒中飞出，炮身则向后退。炮身的这种后退运动叫作反冲。2.规律：反冲现象中，系统内力很大，外力可忽略，满足动量守恒定律。3.反冲现象的防止及应用(1)防止：用枪射击时，由于枪身的反冲会影响射击的准确性，所以用枪射击时要把枪身抵在肩部，以减少反冲的影响。(2)应用：农田、园林的喷灌装置利用反冲使水从喷口喷出时，一边喷水一边旋转。〖思考判断〗(1)反冲现象可以用动量守恒定律来处理。(√)(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。(√)下列图片所描述的事例或应用中，没有利用反冲原理的是()〖提*示〗D知识点二火箭〖观图助学〗火箭应用了反冲的原理，反冲过程动量守恒，它靠向后喷出的气流的反冲作用而获得向前的速度。1.工作原理：利用反冲的原理，火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾部喷管迅速喷出，使火箭获得巨大速度。2.影响火箭获得速度大小的两个因素(1)喷气速度：现代火箭的喷气速度为2000～5000m/s。(2)质量比：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，火箭获得的速度越大。3.现代火箭的主要用途：利用火箭作为运载工具，如发射探测仪器、常规弹头和核弹头、人造卫星和宇宙飞船等。〖思考判断〗(1)火箭点火后离开地面加速向上运动，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)火箭获得的速度仅与喷气的速度有关。(×)火箭的工作原理，要明白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。核心要点对反冲现象的理解〖要点归纳〗1.反冲现象的三个特点(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。(2)反冲中，相互作用的内力一般情况下远大于外力或在某一方向上内力远大于外力，所以可以用动量守恒定律或在某一方向上应用动量守恒定律来处理。(3)反冲中，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。2.反冲现象中可应用动量守恒定律的三种情况(1)系统不受外力或所受外力之和为零。(2)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。(3)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。3.在讨论反冲现象问题时，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)速度的相对性反冲现象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)。〖试题案例〗〖例1〗如图所示，自行火炮连同炮弹的总质量为M，当炮管水平，火炮车在水平路面上以v1的速度向右匀速行驶中，发射一枚质量为m的炮弹后，自行火炮的速度变为v2，仍向右行驶。则炮弹相对炮筒的发射速度v0为()A.eq\f(m（v1－v2）＋mv2,m) B.eq\f(M（v1－v2）,m)C.eq\f(M（v1－v2）＋2mv2,m) D.eq\f(M（v1－v2）－m（v1－v2）,m)审题指导对自行火炮和炮弹组成的系统，由于不受阻力作用，系统所受合外力为0，开炮过程中动量守恒，需要注意开炮后自行火炮的质量会减少。〖解析〗自行火炮水平匀速行驶时，牵引力与阻力平衡，系统动量守恒。设向右为正方向，发射前动量之和为Mv1，发射后系统的动量之和为(M－m)v2＋m(v2＋v0)，由Mv1＝(M－m)v2＋m(v2＋v0)，解得v0＝eq\f(Mv1－（M－m）v2,m)－v2＝eq\f(M（v1－v2）,m)。故B正确。〖答案〗B〖针对训练1〗某学习小组在探究反冲现象时，将质量为m1的一个小液化气瓶固定在质量为m2的小玩具船上，利用液化气瓶向外喷射气体作为船的动力。现在整个装置静止放在平静的水面上，已知打开瓶后向外喷射气体的对地速度为v1，如果在Δt的时间内向后喷射的气体的质量为Δm，忽略水的阻力，则喷射出质量为Δm的气体后，小船的速度是()A.eq\f(Δmv1,m1＋m2－Δm) B.eq\f(Δmv1,m1＋m2)C.eq\f(Δmv1,m1－Δm) D.eq\f(Δmv1,m2－Δm)〖解析〗由动量守恒定律得(m1＋m2－Δm)v船－Δmv1＝0，解得v船＝eq\f(Δmv1,m1＋m2－Δm)。故选A。〖答案〗A核心要点火箭〖要点归纳〗1.火箭喷气属于反冲类问题，是动量守恒定律的重要应用。在火箭运动的过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，对于这一类的问题，可选取火箭本身和在相互作用的时间内喷出的全部气体为研究对象，取相互作用的整个过程为研究过程，运用动量守恒的观点解决问题。2.火箭燃料燃尽时火箭获得的最大速度由喷气速度v和质量比eq\f(M,m)(火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比)两个因素决定。〖试题案例〗〖例2〗火箭相对地面匀速飞行的速度为v0，某时刻的总质量为M，现火箭发动机向后喷出气体，若每次喷出的气体质量恒为m，相对于火箭的速度大小恒为u，不计空气阻力和地球引力，求第二次气体喷出后火箭的速度为多大。审题指导(1)题目中的速度u是相对于火箭的，而不是相对于地面的，不能直接代入动量守恒公式。(2)若喷出气体后火箭速度分别为v1、v2，喷出的气体对地速度分别是v1－u和v2－u。〖解析〗火箭与被喷气体组成的系统不受外力作用，动量守恒。以v0方向为正方向，设喷出第一次气体、第二次气体后火箭速度分别为v1、v2，应用动量守恒定律，对第一次喷气过程有：Mv0＝(M－m)v1＋m(v1－u)对第二次喷气过程有：(M－m)v1＝(M－2m)v2＋m(v2－u)二式联立解得火箭喷出第二次气体后的速度为v2＝v0＋eq\f(mu,M)＋eq\f(mu,M－m)〖答案〗v0＋eq\f(mu,M)＋eq\f(mu,M－m)〖针对训练2〗“世界航天第一人”是明朝的万户，如图所示，他把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在椅子上，双手举着大风筝，设想利用火箭的推力，飞上天空，然后利用风筝平稳着陆。假设万户及其所携设备(火箭、椅子、风筝等)的总质量为M，点燃火箭后在极短的时间内，质量为m的燃气相对地面以v0的速度竖直向下喷出，忽略空气阻力的影响，重力加速度为g，下列说法正确的是()A.火箭的推力来源于空气对它的反作用力B.在燃气喷出后的瞬间，火箭的速度大小为eq\f(mv0,M－m)C.喷出燃气后，万户及其所携设备能上升的最大高度为eq\f(m2veq\o\al(2,0),g（M－m）2)D.在火箭喷气过程中，万户及其所携设备的机械能守恒〖解析〗火箭的推力来源于燃气对它的反作用力，选项A错误；以竖直向下为正方向，根据动量守恒定律有0＝mv0－(M－m)v，解得在燃气喷出后的瞬间，火箭的速度大小为v＝eq\f(mv0,M－m)，选项B正确；喷出燃气后，万户及其所携设备做竖直上抛运动，动能转化为重力势能，有eq\f(1,2)(M－m)v2＝(M－m)gh，解得万户及其所携设备能上升的最大高度为h＝eq\f(m2veq\o\al(2,0),2g（M－m）2)，选项C错误；在火箭喷气过程中，万户及其所携设备的机械能增加，燃料燃烧，将一部分化学能转化为万户及其所携设备的机械能，选项D错误。〖答案〗B核心要点物理模型——“人船模型”及应用〖要点归纳〗1.“人船模型”的适用条件系统原来处于静止状态，在系统中物体发生相对运动的过程中，动量守恒或有一个方向动量守恒。其实质就是初速度为0的系统中物体所做的反冲运动，系统满足某方向上的平均动量守恒。2.模型特点(1)遵从动量守恒定律，如图所示。(2)两物体的位移满足：meq\f(x人,t)－Meq\f(x船,t)＝0，x人＋x船＝L即x人＝eq\f(M,M＋m)L，x船＝eq\f(m,M＋m)L位移大小之比满足x人∶x船＝M∶m，即两物体的位移大小之比等于两物体质量的反比。〖试题案例〗〖例3〗有一条捕鱼小船停靠在湖边码头，小船又窄又长，一位同学想用一个卷尺粗略测定它的质量，他进行了如下操作：首先将船平行码头自由停泊，然后他轻轻从船尾上船，走到船头后停下，而后轻轻下船，用卷尺测出船后退的距离d，然后用卷尺测出船长L(如图所示)。已知他自身的质量为m，则渔船的质量为()A.eq\f(m（L＋d）,d) B.eq\f(m（L－d）,d)C.eq\f(mL,d) D.eq\f(m（L＋d）,L)〖解析〗设人走动时船的速度大小为v，人的速度大小为v′，人从船尾走到船头所用时间为t，取船的运动方向为正方向，则v＝eq\f(d,t)，v′＝eq\f(L－d,t)，根据动量守恒定律得Mv－mv′＝0，解得船的质量M＝eq\f(m（L－d）,d)，故选项B正确。〖答案〗B方法凝炼“人船模型”的推论(1)“人”走“船”走，“人”停“船”停。(2)x人＝eq\f(M,M＋m)L，x船＝eq\f(m,M＋m)L，即x人、x船大小与人运动时间和运动状态无关。(3)eq\f(x人,x船)＝eq\f(M,m)，人、船的位移(在系统满足动量守恒的方向上的位移)与质量成反比。〖针对训练3〗如图所示，在一只大气球下方的长绳上，有一个质量为m1＝50kg的人。气球和长绳的总质量为m2＝20kg，长绳的下端刚好和水平面接触。当静止时人离地面的高度为h＝5m。如果这个人开始沿绳向下滑，当他滑到绳下端时，他离地面的高度约(可以把人看成质点)()A.5m B.3.6m C.2.6m D.8m〖解析〗设人的速度大小为v1，气球的速度大小为v2，根据人和气球组成的系统动量守恒得m1v1＝m2v2，所以v1＝eq\f(2,5)v2，气球和人运动的路程之和为h＝5m，则s1＝eq\f(10,7)m，s2＝eq\f(25,7)m，即人下滑eq\f(10,7)m，气球上升eq\f(25,7)m，所以人离地高度为eq\f(25,7)m，约等于3.6m。故选B。〖答案〗B1.(反冲运动)(多选)2019年春节上映的国产科幻大片《流浪地球》中有这样的情节：为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机，推动地球离开太阳系，用2500年的时间奔往另外一个栖息之地。这个科幻情节中有反冲运动的原理。现实中的下列运动，属于反冲运动的有()A.汽车的运动 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〗汽车的运动利用了汽车的牵引力，不属于反冲运动，故A错误；直升机的运动利用了空气的反作用力，不属于反冲运动，故B错误；火箭的运动是利用喷气的方式获得动力的，属于反冲运动，故C正确；反击式水轮机的运动利用了水的反冲作用而获得动力，属于反冲运动，故D正确。〖答案〗CD2.(火箭原理)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()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〗B3.(人船模型的应用)如图所示，一个倾角为α的直角斜面体静置于光滑水平面上，斜面体质量为M，顶端高度为h。今有一质量为m的小物体，沿光滑斜面下滑，当小物体从斜面顶端自由下滑到底端时，斜面体在水平面上移动的距离是()A.eq\f(mh,M＋m) B.eq\f(Mh,M＋m)C.eq