（浙江專版）2018年高中物理 第十六章 動量守恒定律 第5節(jié) 反沖運動 火箭學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第5節(jié) 反沖運動__火箭 反沖運動 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．反沖定義 一個靜止的物體在內(nèi)力的作用下分裂為兩部分，一部分向某一個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動的現(xiàn)象。 2．特點 (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運動。 (2)反沖運動中，相互作用力一般較大，通常可以用動量守恒定律來處理。 3．反沖現(xiàn)象的應(yīng)用及防止 (1)應(yīng)用：農(nóng)田、園林的噴灌裝置是利用反沖使水從噴口噴出時，一邊噴水一邊旋轉(zhuǎn)。 (2)防止：用槍射擊時，由于槍身的反沖會影響射擊的準(zhǔn)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。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”)

2、1．反沖運動中若物體分成兩部分，這兩部分的動量一定相同。(×) 2．做反沖運動的這部分物體滿足動量守恒定律。(√) [釋疑難·對點練] 1．反沖運動的特點 (1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運動。 (2)反沖運動中，由于有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，所以系統(tǒng)的總動能增加。 2．討論反沖運動應(yīng)注意的問題 (1)適合用動量守恒定律解決的三種反沖運動問題： ①系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，且滿足動量守恒的條件； ②系統(tǒng)雖然受到外力作用，但內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外力，外力可以忽略； ③系統(tǒng)所受外力之和不為零，系統(tǒng)的動量不守恒，但系統(tǒng)在某一方向上不受外力或外力在該方向上的分力之和為零，

3、即系統(tǒng)的動量在該方向上的分量保持不變。 (2)速度的方向性問題： 對于原來靜止的整體，拋出具有一定速度的整體的一部分后，剩余部分的反沖是相對于拋出部分來說的，兩者運動方向必然相反。在列動量守恒方程時，可任意規(guī)定某一部分的運動方向為正方向，則反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值。 (3)速度的相對問題： 反沖運動的問題中，有時遇到的速度是相互作用的兩物體的相對速度。由于動量守恒定律中要求速度為對同一參考系的速度，通常為對地的速度。因此應(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成對地的速度后，再列動量守恒定律方程。 (4)變質(zhì)量問題： 在反沖運動中還常遇到變質(zhì)量物體的運動，如在火箭的運動過程中，隨著燃料的消耗，火箭

4、本身的質(zhì)量不斷減小，此時必須取火箭本身和在相互作用的短時間內(nèi)噴出的所有氣體為研究對象，取相互作用的這個過程為研究過程來進(jìn)行研究。 [試身手] 1．假定冰面是光滑的，某人站在冰凍河面的中央，他想到達(dá)岸邊，則可行的辦法是(　　) A．步行 B．揮動雙臂 C．在冰面上滾動 D．脫去外衣拋向岸的反方向 解析：選D　因為冰面光滑，無法行走和滾動，由動量守恒定律知，只有脫去外衣拋向岸的反方向，獲得反沖速度才能到達(dá)岸邊。D正確。 火箭 [探新知·基礎(chǔ)練] 工作原理 火箭的工作原理是反沖運動，其反沖過程動量守恒。它是靠向后噴出的氣流的反沖作用而獲得向前速度的。當(dāng)火箭推進(jìn)劑燃燒時，

5、從尾部噴出的氣體具有很大的動量，根據(jù)動量守恒定律，火箭獲得大小相等、方向相反的動量。當(dāng)推進(jìn)劑燃盡時，火箭即以獲得的速度沿著預(yù)定的空間軌道飛行。當(dāng)然，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，研究時應(yīng)該取火箭本身和相互作用的時間內(nèi)噴出的氣體為研究對象。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．火箭是通過燃料推空氣，空氣反過來對火箭產(chǎn)生推力完成工作的。(×) 2．噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大。(√) [釋疑難·對點練] 1．影響火箭獲得速度大小的因素 (1)噴氣速度：現(xiàn)代液體燃料火箭的噴氣速度約為2 000～4 000 m/s。 (2)火箭的質(zhì)量比：指火箭起飛時的

6、質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(zhì)量之比。決定于火箭的結(jié)構(gòu)和材料?，F(xiàn)代火箭能達(dá)到的質(zhì)量比一般不超過10。噴氣速度越大，質(zhì)量比越大，火箭獲得的速度越大。 2．用途 主要用來發(fā)射探測儀器、常規(guī)彈頭或核彈頭、人造衛(wèi)星或宇宙飛船，是宇宙航行的運載工具。 [試身手] 2．(福建高考)將靜置在地面上，質(zhì)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v0豎直向下噴出質(zhì)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(jié)束時火箭模型獲得的速度大小是(　　) A.v0　　　　　　　　 B.v0 C.v0 D.v0 解析：選D　由動量守恒定律有mv0＝(M－m)v，可得火箭獲得的

7、速率為v＝v0，D正確。 反沖的理解與應(yīng)用 反沖運動的產(chǎn)生是系統(tǒng)內(nèi)力作用的結(jié)果，兩個相互作用的物體A、B組成的系統(tǒng)，A對B的作用力使B獲得某一方向的動量，B對A的反作用力使A獲得相反方向的動量，從而使A沿著與B相反的方向做反沖運動。 應(yīng)用動量守恒定律分析反沖運動的有關(guān)特性時，必須注意的問題： (1)剩余部分的反沖是相對于拋出部分來說，兩者運動方向必然相反，做數(shù)值計算時，注意規(guī)定某一部分的運動方向為正方向，則反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值，列表達(dá)式時，也可以把負(fù)號包含在相關(guān)字母中；也可直接列出兩部分動量大小相等的方程。 (2)把物體中的一部分拋出和剩余部分產(chǎn)生反沖都需要經(jīng)

8、歷一個過程，直到部分物體離開整體的瞬間，兩者的速度差達(dá)到最大。因此，若題中已知拋擲物體的速度是相對于剩余部分而言，應(yīng)理解為相對于“拋出”這一瞬間。 (3)反沖運動中存在相互作用的物體間發(fā)生相對運動，已知條件中常常告知物體的相對速度，在應(yīng)用動量守恒定律時，應(yīng)將相對速度轉(zhuǎn)換為絕對速度(一般為對地速度)。 [典例1]　小車上裝有一桶水，靜止在光滑水平地面上，如圖所示，桶的前、后、底及側(cè)面各裝有一個閥門，分別為S1、S2、S3、S4(圖中未全畫出)，要使小車向前運動，可采用的方法是(　　) A．打開閥門S1 B．打開閥門S2 C．打開閥門S3 D．打開閥門S4 [解析]選B　根據(jù)水和

9、小車組成的系統(tǒng)動量守恒，原來系統(tǒng)動量為零，由0＝m水v水＋m車v車知，小車的運動方向與水的運動方向相反，故水應(yīng)向后噴出，選項B正確。 人船模型 [典例2]　如圖所示，長為L、質(zhì)量為M的小船停在靜水中，一個質(zhì)量為m的人站立在船頭，若不計水的阻力，當(dāng)人從船頭走到船尾的過程中，船和人相對地面的位移各是多少？ [解析]　選人和船組成的系統(tǒng)為研究對象，由于在人從船頭走到船尾的過程中，系統(tǒng)動量守恒，人起步前系統(tǒng)的總動量為0。當(dāng)人加速前進(jìn)時，船加速后退，人停下時，船也停下來。設(shè)某一時刻人的速度為vm，船的速度為vM，根據(jù)動量守恒定律有： mvm－MvM＝0 即＝ 因為在人從船頭走到船尾的

10、整個過程中，每一時刻系統(tǒng)都滿足動量守恒定律，所以每一時刻人的速度與船的速度之比都與它們的質(zhì)量之比成反比，從而可以判斷，在人從船頭走到船尾的過程中，人的位移xm與船的位移xM之比，也應(yīng)與它們質(zhì)量之比成反比，即 ＝ 由題圖可以看出xm＋xM＝L 以上各式聯(lián)立可得： xm＝L，xM＝L。 [答案]　L　L [課堂對點鞏固] 1．(多選)下列不屬于反沖運動的是(　　) A．噴氣式飛機的運動 B．直升機的運動 C．火箭的運動 D．反擊式水輪機的運動 解析：選ACD　選項A、C、D中，三者都是自身的一部分向一方向運動，而剩余部分向反方向運動，而直升機是靠外界空氣的反作用

11、力作為動力，所以A、C、D對，B錯。 2．平靜的水面上停著一只小船，船頭站立著一個人，船的質(zhì)量是人的質(zhì)量的8倍。從某時刻起，這個人向船尾走去，走到船中部他突然停止走動。水對船的阻力忽略不計。下列說法中正確的是(　　) A．人走動時，他相對于水面的速度和小船相對于水面的速度大小相等、方向相反 B．他突然停止走動后，船由于慣性還會繼續(xù)走動一小段時間 C．人在船上走動過程中，人對水面的位移是船對水面位移的9倍 D．人在船上走動過程中，人的動能是船的動能的8倍 解析：選D　人船系統(tǒng)動量守恒，總動量始終為零，因此人、船動量等大，速度與質(zhì)量成反比，A錯誤；人“突然停止走動”是指人和船相對靜止

12、，設(shè)這時人、船的速度為v，則(M＋m)v＝0，所以v＝0，說明船的速度立即變?yōu)榱?，B錯誤；人和船系統(tǒng)動量守恒，速度和質(zhì)量成反比，因此人的位移是船的位移的8倍，C錯誤；動能、動量關(guān)系Ek＝∝，人在船上走動過程中人的動能是船的動能的8倍，D正確。 3．(多選)采取下列措施有利于增大噴氣式飛機的飛行速度的是(　　) A．使噴出的氣體速度更大 B．使噴出的氣體溫度更高 C．使噴出的氣體質(zhì)量更大 D．使噴出的氣體密度更小 解析：選AC　把噴氣式飛機和噴出的氣體看成系統(tǒng)，設(shè)原來總質(zhì)量為M，噴出的氣體質(zhì)量為m，速度是v，剩余質(zhì)量(M－m)的速度為v′，規(guī)定飛機的速度方向為正方向，由動量守恒得mv

13、－(M－m)v′＝0，v′＝。故A、C正確。 4．(多選)一人從泊在碼頭邊的船上往岸上跳，若該船的纜繩并沒拴在碼頭上，則下列說法中正確的有(　　) A．船越輕小，人越難跳上岸 B．人跳躍時相對船速度大于相對地速度 C．船越重越大，人越難跳上岸 D．人跳時相對船速度等于相對地速度 解析：選AB　人盡力往岸上跳時，人做的功是確定的，且全部轉(zhuǎn)化成了人與船的動能。設(shè)船的質(zhì)量為m1，人的質(zhì)量為m2，跳后人與船的動量大小均為p，則Ek人＝，Ek船＝，因Ek人＋Ek船為定值，故m1越小，p越小，故A對；人、船相對運動，因此說人跳躍時相對船速度大于相對地速度，故B正確。 [課堂小結(jié)]- - -

14、- - - - - - - - - - - - [課時跟蹤檢測五] 一、單項選擇題 1．靜止的實驗火箭，總質(zhì)量為M，當(dāng)它以對地速度v0噴出質(zhì)量為Δm的高溫氣體后，火箭的速度為(　　) A. B．－ C. D．－ 解析：選B　火箭與高溫氣體的運動屬于反沖運動，遵循動量守恒定律，設(shè)火箭對地的速度為v，則有：0＝(M－Δm)v＋Δmv0，所以v＝－，故B正確。 2．運送人造地球衛(wèi)星的火箭開始工作后，火箭做加速運動的原因是(　　) A．燃料燃燒推動空氣，空氣反作用力推動火箭 B．火箭發(fā)動機將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體向后推出，氣體的反作用力推動火箭 C．火箭吸入空氣，然后向后推

15、出，空氣對火箭的反作用力推動火箭 D．火箭燃料燃燒發(fā)熱，加熱周圍空氣，空氣膨脹推動火箭 解析：選B　火箭的工作原理是反沖運動，火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體從尾部迅速噴出時，使火箭獲得反沖速度，故正確選項為B。 3．一裝有柴油的船靜止于水平面上，船前艙進(jìn)了水，堵住漏洞后用一水泵把前艙的油抽往后艙，如圖所示。不計水的阻力，船的運動情況是(　　) A．向前運動 B．向后運動 C．靜止 D．無法判斷 解析：選A　雖然抽油的過程屬于船與油的內(nèi)力作用，但油的質(zhì)量發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從前艙轉(zhuǎn)到了后艙，相當(dāng)于人從船的一頭走到另一頭的過程。故A正確。 4.(福建高考)如圖所示，質(zhì)量為M的小船

16、在靜止水面上以速率v0向右勻速行駛，一質(zhì)量為m的救生員站在船尾，相對小船靜止。若救生員以相對水面速率v水平向左躍入水中，則救生員躍出后小船的速率為(　　) A．v0＋v B．v0－v C．v0＋(v0＋v) D．v0＋(v0－v) 解析：選C　人在躍出的過程中船和人組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒，規(guī)定向右為正方向，(M＋m)v0＝Mv′－mv，解得v′＝v0＋(v＋v0)，C項正確。 5.如圖所示，設(shè)質(zhì)量為M的導(dǎo)彈運動到空中最高點時速度為v0，突然炸成兩塊，質(zhì)量為m的一塊以速度v沿v0的方向飛去，則另一塊的運動(　　) A．一定沿v0的方向飛去 B．一定沿v0的反方向飛去 C

17、．可能做自由落體運動 D．以上說法都不對 解析：選C　根據(jù)動量守恒得Mv0＝mv＋(M－m)v′，解得v′＝。mv可能大于、小于或等于Mv0，所以v′可能小于、大于或等于零，C正確。 6．一質(zhì)量為M的航天器，正以速度v0在太空中飛行，某一時刻航天器接到加速的指令后，發(fā)動機瞬間向后噴出一定質(zhì)量的氣體，氣體噴出時速度大小為v1，加速后航天器的速度大小v2，則噴出氣體的質(zhì)量m為(　　) AM B.M C.M D.M 解析：選C　規(guī)定航天器的速度方向為正方向，由動量守恒定律可得：Mv0＝(M－m)v2－mv1，解得m＝M，故選C。 7．一航天探測器完成對月球的探測后，離開月球的過

18、程中，由靜止開始沿著與月球表面成一定傾角的直線飛行，先加速運動后勻速運動。探測器通過噴氣而獲得動力，以下關(guān)于噴氣方向的說法正確的是(　　) A．探測器加速運動時，向后噴氣 B．探測器加速運動時，豎直向下噴氣 C．探測器勻速運動時，豎直向下噴氣 D．探測器勻速運動時，不需要噴氣 解析：選C　探測器由靜止開始沿著與月球表面成一定傾角的直線飛行加速運動時，加速度的方向沿運動的直線方向，即合力的方向沿運動的直線方向，而探測器受到月球的萬有引力方向豎直向下，所以，反沖力方向與運動的直線成一角度斜向上，則噴氣方向與運動的直線成一角度斜向下，A、B錯誤；探測器勻速運動，即所受合力為零，探測器受到的

19、月球的萬有引力豎直向下，則受到的噴出氣體的反沖力豎直向上，因此，探測器豎直向下噴氣，C正確，D錯誤。 二、多項選擇題 8．一只青蛙，蹲在置于水平地面上的長木板一端，并沿板的方向朝另一端跳，在下列情況下，青蛙一定不能跳過長木板的是(　　) A．木板的上表面光滑而底面粗糙 B．木板的上表面粗糙而底面光滑 C．木板上、下兩表面都粗糙 D．木板上、下兩表面都光滑 解析：選AD　只要木板的上表面光滑，青蛙與木板間就無法產(chǎn)生水平方向上的相互作用，無法改變水平方向上的運動狀態(tài)，故A、D正確。 9．A、B兩船的質(zhì)量均為M，它們都靜止在平靜的湖面上，當(dāng)A船上質(zhì)量為的人以水平速度v從A船跳到B船，

20、再從B船跳回A船。設(shè)水對船的阻力不計，經(jīng)多次跳躍后，人最終跳到B船上，則(　　) A．A、B兩船的速度大小之比為3∶2 B．A、B(包括人)動量大小之比為1∶1 C．A、B(包括人)動量之和為零 D．因跳躍次數(shù)未知，故以上答案均無法確定 解析：選ABC　選A船、B船和人組成的系統(tǒng)為研究對象，則它們的初始總動量為0。由動量守恒定律可知，系統(tǒng)以后的總動量將一直為0。選最終B船的運動方向為正方向，則由動量守恒定律可得： 0＝vB－MvA 解得：vB＝vA，所以A、B兩船的速度大小之比為3∶2，選項A正確；A和B(包括人)的動量大小相等，方向相反，動量大小之比為1∶1，選項B正確；由于系統(tǒng)的總動量始終守恒，且為零，故A、B(包括人)的動量之和也始終，且為零，選項C正確。 三、非選擇題 10．如圖所示，進(jìn)行太空行走的宇航員A和B的質(zhì)量分別為80 kg和100 kg，他們攜手遠(yuǎn)離空間站，相對空間站的速度為0.1 m/s，A將B向空間站方向輕推后，A的速度變?yōu)?.2 m/s，求此時B的速度大小和方向。 解析：以遠(yuǎn)離空間站方向為正方向，則v0＝0.1 m/s，vA＝0.2 m/s，由動量守恒定律得 (mA＋mB)v0＝mAvA＋mBvB 解得vB＝0.02 m/s 方向為遠(yuǎn)離空間站方向。 答案：0.02 m/s　遠(yuǎn)離空間站方向 9