新教材2025版高中物理第一章动量守恒定律6.反冲现象火箭学生用书新人教版选择性必修第一册

6.反冲现象火箭新课程标准核心素养目标1.了解反冲的概念及反冲现象的一些应用2．理解反冲现象的原理，能够应用动量守恒定律解决反冲运动问题3．了解火箭的工作原理及确定火箭最终速度大小的因素物理观念理解反冲的概念，了解反冲在实际问题中的应用科学思维会应用动量守恒定律解决相关反冲问题科学看法与责任了解航天技术的发展和宇宙航行，了解中国火箭发展历程，增加民族骄傲感必备学问·自主学习——突出基础性素养夯基一、反冲现象1.定义：依据动量守恒定律，一个静止的物体在________的作用下分裂为两部分，一部分向某一个方向运动，另一部分必定向________方向运动的现象．2．特点(1)物体的不同部分在________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________能转变为动能，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________．(2)防止：用枪射击时，由于枪身的反冲会影响射击的________，所以用步枪射击时要把枪身抵在________，以削减反冲的影响．二、火箭1．工作原理：是利用________运动，火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾喷管快速喷出时，使火箭获得巨大速度．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2000m/s～5000m/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________，质量比________，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________工具，如放射探测仪器、常规弹头和核弹头、人造卫星和宇宙飞船等．【思索辨析】推断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．(1)喷气式飞机的运动属于反冲运动．()(2)直升机的运动属于反冲运动．()(3)在反冲现象中，由于有其他形式的能量(如化学能)转化为动能，所以反冲现象中系统的总动能增大．()(4)火箭靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度．()(5)在火箭放射过程中，由于内力远大于外力，所以动量守恒．()情境思索：(1)把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口(图甲)，然后突然放开，让气体喷出，视察气球的运动．提示：气球沿与喷气相反的方向运动．(2)如图乙，把弯管装在可旋转的盛水容器的下部．当水从弯管流出时，容器旋转起来．提示：旋转方向与水喷出的方向相反．关键实力·合作探究——突出综合性素养形成探究点一反冲现象导学探究两位同学在公园里划船，当小船离码头大约1.5m时，有一位同学心想，自己在体育课上跳远的成果从未低于2m，跳到岸上肯定没有问题．于是她纵身一跳，结果却掉到了水里(如图所示)，她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢？探究总结反冲运动的三个特点(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动．(2)反冲运动中，相互作用的内力一般状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．典例示范例1下列所描述的事例或应用中，没有利用反冲原理的是()A．喷灌装置的自动旋转B．章鱼在水中前行和转向C．运载火箭放射过程D．码头边轮胎的爱护作用课堂笔记例2(多选)一个连同装备总质量M＝100kg的航天员，脱离飞船进行太空行走后，在与飞船相距d＝45m的位置与飞船保持相对静止．所带氧气筒中还剩有m0＝0.5kg氧气，氧气除了供他呼吸外，还需向与飞船相反方向喷出一部分氧气以获得使他回到飞船的反冲速度v′，为此氧气筒上有可使氧气以v＝50m/s的速度喷出的喷嘴．依据物理原理：假如一次性喷出氧气质量为m，喷气速度为v，则其获得反冲速度v′＝mvM，已知人的耗氧率为R＝2.5×10－4kg/s(即每秒呼吸消耗氧气量)．则为保证该航天员平安返回飞船，一次性喷出氧气质量mA．0.04kgB．0.25kgC．0.35kgD．0.46kg课堂笔记思维方法探讨反冲运动应留意的两个问题(1)速度的反向性：以反冲前的系统为参考系，反冲后，被抛出部分与剩余部分的运动方向必定相反．(2)速度的同系性：一般都转换为对地速度．针对训练1某同学为探讨反冲运动，设计了如图所示的装置，固定有挡光片的小车内表面水平，置于光滑水平面上，挡光片宽为d，小车的左侧不远处有固定的光电门，用质量为m的小球压缩车内弹簧，并锁定弹簧，整个装置处于静止，解除锁定，小球被弹射后小车做反冲运动并通过光电门，与光电门连接的计时器记录挡光片挡光时间为t，小车、弹簧和挡光片的总质量为3m，则小球被弹出小车的瞬间相对于地面的速度大小为()A．dtB．C．3dtD．探究点二火箭导学探究(1)我国在什么时候独创了火箭？(2)现代火箭与古代火箭有何区分？(3)火箭飞行时能获得的最大速度与哪些因素有关？(4)如何增大火箭所能达到的最大速度？(5)火箭有哪些主要用途？探究总结火箭的原理(1)火箭是反冲运动的应用，其反冲过程动量守恒．当火箭推动剂燃烧时，从尾部喷出的气体具有很大的动量，依据动量守恒定律，火箭获得与之大小相等、方向相反的动量，因而发生连续的反冲现象，随着推动剂的消耗，火箭的质量渐渐减小，加速度不断增大，当推动剂燃尽时，火箭以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行．(2)火箭利用了反冲原理，获得向上的动量，依据动量守恒定律得mΔv＋Δmu＝0，解得Δv＝－Δmmu，其中Δm为火箭在极短时间内喷射燃气的质量，喷出燃气相对于喷气前火箭的速度为u，喷出燃气后火箭的质量为m，火箭喷气后速度的增加量为Δ典例示范例3一火箭喷气发动机每次喷出m＝200g的气体，气体离开发动机喷出时的速度v＝1000m/s，设火箭质量M＝300kg，发动机每秒喷气20次．(1)当第三次气体喷出后，火箭的速度多大？(2)运动第1s末，火箭的速度多大？课堂笔记针对训练2如图所示，某中学航天爱好小组的同学将静置在地面上的质量为M(含水)的自制“水火箭”释放升空，在极短的时间内，质量为m的水以相对地面为v0的速度竖直向下喷出．已知重力加速度为g，空气阻力不计，下列说法正确的是()A．火箭的推力来源于火箭外的空气对它的反作用力B．水喷出的过程中，火箭和水的机械能守恒C．火箭获得的最大速度为MvD．火箭上升的最大高度为m学科素养提升❸反冲运动中的“人船模型”志向模型如图所示，长为L、质量为m船的小船停在静水中，质量为m人的人由静止起先从船的一端走到船的另一端，不计水的阻力．以人和船组成的系统为探讨对象，在人由船的一端走到船的另一端的过程中，系统水平方向不受外力作用，所以整个系统水平方向动量守恒，可得：m船v船＝m人v人，因人和船组成的系统动量始终守恒，故有：m船x船＝m人x人，由图可看出：x船＋x人＝L，可解得：x人＝m船m人+m船L，素养训练1．如右图所示，大气球质量为100kg，载有质量为50kg的人，静止在空中距地面20m高的地方，气球下方悬一根质量可忽视不计的绳子，此人想从气球上沿绳渐渐下滑至地面，为了平安到达地面，则此绳的长度至少为(不计人的高度，可以把人看作质点)()A．10mB．30mC．40mD．60m2．如图所示，质量M＝150kg的木船长l＝4m，质量m＝50kg的人站立在船头，人和船静止在安静的水面上．不计水的阻力，现在人要走到船尾取一样东西，则人从船头走到船尾过程中，船相对静水后退的距离为多少？思维方法处理“人船模型”问题的两点留意①“人船模型”问题中，两物体的运动特点是“人”走“船”行，“人”停“船”停．②问题中的“船长”通常理解为“人”相对“船”的位移．而在求解过程中，应当探讨的是“人”及“船”相对地的位移，即相对于同一参考系的位移．课堂检测·素养提升——突出创新性素养达标1.人静止于光滑水平冰面上，现欲前进，则可行的方法是()A．向后踢腿B．手臂向后甩C．在冰上滚D．脱去外衣向后掷去2．竖直放射的火箭质量为6×103kg.已知每秒喷出气体的质量为200kg.若要使火箭获得20m/s2的向上的加速度，则喷出气体的速度大小约为()A．700m/sB．800m/sC．900m/sD．1000m/s3.质量为m的人站在质量为M，长为L的静止小船的右端，小船的左端靠在岸边．当他向左走到船的左端时，船左端离岸的距离为(忽视水的阻力)()A．LB．LM+mC．MLM+m4．一个连同装备共100kg的宇航员，在离飞船45m的位置与飞船处于相对静止的状态．装备中有一个高压气源，能以50m/s的速度喷出气体．宇航员为了能在10min时间返回飞船，则他须要在起先返回的瞬间一次性向后喷出的气体质量是多少？6．反冲现象火箭必备学问·自主学习一、1．内力相反2．(1)内力(3)其他形式3．(1)旋转(2)精确性肩部二、1．反冲2.(2)越大越大3.运载思索辨析答案：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)√关键实力·合作探究探究点一提示：这位同学与船组成的系统在不考虑水的阻力的状况下，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．【例1】【解析】A错：喷灌装置的自动旋转是利用了水流喷出时的反冲作用．B错：章鱼在水中前行和转向是利用了喷出的水的反冲作用．C错：火箭的运动是利用喷气的方式获得动力，利用了反冲原理．D对：码头边的轮胎的作用是延长碰撞时间，从而减小作用力，不是利用反冲原理．【答案】D【例2】【解析】已知M＝100kg，d＝45m，m0＝0.5kg，v＝50m/s，R＝2.5×10－4kg/s，设喷出氧气的质量为m，返回的时间为t，喷出氧气后可认为航天员总质量不变．则返回速度v′＝mvM运动的时间t＝d航天员耗氧量：Rt＝m0－m联立并代入数据得m＝0.05kg或0.45kg，所以0.05kg＜m＜0.45kg.【答案】BC针对训练1解析：由题可知，小车做反冲运动的速度大小为v1＝dt，由于小车处于光滑水平面上，反冲运动过程系统动量守恒，则3mv1＝mv2，求得v2＝3v1＝3d答案：C探究点二提示：(1)我国早在宋代就独创了火箭。(2)现代火箭与古代火箭在原理上是相同的，都是运用反冲原理，但在结构上要比古代火箭更先进、更困难．(3)火箭飞行所能取得的最大速度取决于两个条件：①气体喷出的速度大小．②火箭壳体的质量与燃料的质量比．(4)为了提高火箭的飞行速度，必需从上面两方面去考虑：一是提高喷气速度；二是减小壳体与燃料的质量比．放射人造卫星采纳多级火箭，就是为了刚好抛掉用完燃料的箭体，使卫星最终获得更大的速度．(5)火箭的主要用途是作为运载工具运用，例如放射卫星、飞船等．【例3】【解析】选取整体为探讨对象，运用动量守恒定律求解(1)设喷出三次气体后火箭的速度为v3，以火箭和喷出的三次气体为探讨对象，据动量守恒定律得：(M－3m)v3－3mv＝0所以v3＝3mvM(2)以火箭和喷出的20次气体为探讨对象(M－20m)v20－20mv＝0所以v20＝20mvM【答案】(1)2m/s(2)13.5m/s针对训练2解析：A错：火箭的推力来源于向下喷出的水对火箭的反作用力．B错：水喷出的过程中，火箭内气体做功，火箭及水的机械能不守恒．C错：在喷水的极短时间内，火箭和水的重力以及空气阻力可忽视不计，在竖直方向动量守恒，在水喷出后的瞬间，火箭获得的速度最大，依据动量守恒定律有(M－m)v－mv0＝0，解得v＝mv0D对：水喷出后，火箭向上做竖直上抛运动，有2gh＝v2，解得h＝m2答案：D学科素养提升素养训练1．解析：人与气球组成的系统动量守恒，设人的速度为v1，气球的速度为v2，运动时间为t，以人与气球组成的系统为探讨对象，以向下为正方向，由动量守恒得：m1v1－m2v2＝0，则m1s人t－m2s气球t＝0，s气球＝12s人＝12×20m＝10m，则绳子长度L＝答案：B2．解析：设船移动距离为x，则人移动距离为l－x，以船行方向为正方向，船对地的平均速度为xt，人对地的平均速度为－l由动量守恒定律有Mxt－ml即Mx－m(l－x)＝0解得船移动的距离为x＝mlM+m＝50课堂检测·素养提升1．解析：因为合外力为零，系统动量守恒，只有抛出一个物体，人才会做反冲运动．答案：D2．解析：内力远大于重力，可认为火箭和喷出的气体动量守恒，设每秒喷出气体的质量为m气，则m气v气＝m箭v箭，由动量定理得火箭获得的动力F＝m箭