高中物理 16_5 反沖運動 火箭學(xué)案 新人教版選修3-5

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課時16.?5　反沖運動　火箭 　　1.?經(jīng)歷實驗探究，認識生活中的反沖運動。 2.?用動量守恒定律解釋反沖運動，進一步提高運用動量守恒定律分析、解決實際問題的能力。 3.?知道火箭的工作原理和主要用途，了解我國航天、導(dǎo)彈事業(yè)的發(fā)展。 　　1.?反沖 (1)根據(jù)動量守恒定律知，如果一個靜止的物體在①內(nèi)力的作用下分裂為兩個部分，一部分向某個方向運動，另一部分必然向②相反的方向運動，這種現(xiàn)象叫作反沖。 (2)舉出幾個生活中反沖現(xiàn)象的例子：③章魚運動、④射擊時槍身向后移、“沖天炮”、噴氣式飛機等。 (3)反沖運動的應(yīng)用及防止 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的，一邊噴水，一邊⑤旋轉(zhuǎn)。 防止：用步槍射擊時，由于槍身向后發(fā)生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⑥肩上，以減小反沖運動的影響。 2.?火箭 (1)火箭和噴氣式飛機的飛行應(yīng)用了⑦反沖原理，它們都是靠向后噴出高速氣流的⑧反沖作用而獲得巨大的速度的。 (2)火箭噴出的燃氣的速度越大、火箭噴出的物質(zhì)的質(zhì)量與火箭本身的質(zhì)量之比越大，火箭獲得的速度⑨越大。為了能使火箭達到發(fā)射衛(wèi)星所需要的速度，蘇聯(lián)科學(xué)家奧爾科夫斯基提出了⑩多級火箭的概念。 (3)我國自行研制的火箭于1964年首次升空;我國于1970 年成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星。 　　主題1：反沖 情景：如圖所示，用薄鋁箔卷成一個細管，一端封閉，另一端留一個很細的口，內(nèi)裝有從火柴頭上刮下的藥粉，把細管放在支架上，用火柴或其他辦法給細管加熱，當管內(nèi)藥粉點燃時，生成的燃氣從細口迅速噴出，細管便向相反的方向飛去。 問題：為什么燃氣和細管的運動方向會相反? 　　主題2：火箭 情景：“長征五號”是中國研制的新一代無毒、無污染、高性能、低成本和大推力的重型運載火箭系列，在“長征五號”大型運載火箭和海南文昌航天發(fā)射基地問世后，中國航天將具備將1.?2噸至25噸的有效載荷送入近地軌道，1.?8噸至14噸的有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道的能力，推動中國空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)、載入航天技術(shù)和天文科學(xué)的發(fā)展，也必將大大提高中國在國際航天發(fā)射市場上的競爭能力。 問題：你了解火箭的原理和性能參數(shù)嗎? 　　主題3：探究反沖與碰撞的聯(lián)系與區(qū)別 問題：(1)反沖運動與一維碰撞有什么相同之處? (2)反沖運動與一維碰撞過程中機械能的變化有什么不同? 1.?(考查反沖運動)一人靜止于完全光滑的水平冰面上，現(xiàn)欲離開冰面，下列方法可行的是(　　) A.?向后踢腿　　　　 B.?手臂向前甩　　　　 C.?在冰面上滾動　　　　 D.?脫下外衣水平拋出 2.?(考查對反沖運動動量守恒的應(yīng)用)向空中發(fā)射一物體，不計空氣阻力。當此物體的速度恰好沿水平方向時，炸裂成a、b兩塊。若質(zhì)量較大的a的速度方向仍沿原來的方向，則(　　) A.?b的速度方向一定與原速度方向相反 B.?從炸裂到落地的這段時間里，a飛行的水平距離一定比b的大 C.?a、b一定同時到達水平地面 D.?在炸裂過程中，a、b受到的爆炸力的沖量大小一定相等 3.?(考查反沖運動中速度的相對性)有一炮艇總質(zhì)量為M，以速度v1勻速行駛，從艇上沿前進方向水平射出一顆質(zhì)量為m的炮彈，已知炮彈相對于炮艇的速度為v，不計水的阻力。若發(fā)射后炮艇的速度為v2，則它們的關(guān)系為(　　) A.?(M+m)v2+m(v-v1)=Mv1 B.?(M-m)v2+m(v+v1)=Mv1 C.?(M-m)v2+mv=Mv1 D.?(M-m)v2+m(v+v2)=Mv1 4.?(考查對動量守恒定律與動量定理的綜合應(yīng)用)步槍的質(zhì)量為4 kg，子彈的質(zhì)量為0.?008 kg，子彈從槍口飛出時的速度為700 m/s，如果戰(zhàn)士抵住槍托，阻止槍身后退，槍身與戰(zhàn)士的作用時間為0.?05 s，求戰(zhàn)士身上受到的平均沖力大小。 　　拓展一：反沖運動與速度的相對性 1.?一個靜止的質(zhì)量為M的不穩(wěn)定原子核，放射出一個質(zhì)量為m的粒子， 求： (1)粒子離開原子核時速度為v0，原子核剩余部分的速率大小。 (2)粒子離開原子核時相對原子核的速度大小為v0，原子核剩余部分的速率大小。 　　拓展二：火箭的多次噴氣 2.?火箭噴氣發(fā)動機每次噴出質(zhì)量m=0.?2 kg的氣體，噴出的氣體相對地面的速度為v=1000 m/s，設(shè)火箭的初始質(zhì)量M=300 kg，發(fā)動機每秒噴氣20次，若不計地球?qū)λ囊ψ饔煤涂諝庾枇ψ饔茫蠡鸺l(fā)動機工作5 s后火箭的速度。 　　拓展三：反沖運動的綜合應(yīng)用 3.?如圖所示，在沙堆表面放置一長方形木塊A，其上再放一質(zhì)量為0.?10 kg的爆竹B，木塊A的質(zhì)量為mA=6.?0 kg。當爆竹爆炸時，因反沖作用使木塊陷入沙中。從爆竹爆炸到木塊停止下陷歷時0.?1 s，已知木塊在沙中受到的平均阻力是90 N，求爆竹能上升的最大高度。設(shè)爆竹中火藥的質(zhì)量及空氣阻力忽略不計，取g=10 m/s2。 參考答案 知識體系梳理 ①內(nèi)力　②相反?、壅卖~運動?、苌鋼魰r槍身向后移?、菪D(zhuǎn)?、藜缟稀、叻礇_　⑧反沖?、嵩酱蟆、舛嗉壔鸺?964　1970 重點難點探究 主題1：當氣體從管內(nèi)噴出時，它具有動量，由動量守恒定律可知，細管會向相反方向運動。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方向運動，這個現(xiàn)象叫反沖運動。反沖運動是系統(tǒng)內(nèi)力作用的結(jié)果，雖然有時系統(tǒng)所受的合外力不為零，但由于系統(tǒng)內(nèi)力遠遠大于外力，所以系統(tǒng)的總動量是守恒的。 主題2：①發(fā)射火箭的原理 火箭利用了反沖原理。發(fā)射火箭時，尾管中向下噴射出的高速氣體有動量，根據(jù)動量守恒定律知：火箭將獲得向上的動量，從而向上飛去。 設(shè)火箭在時間Δt內(nèi)噴射燃氣的質(zhì)量是Δm，噴氣速度是u，噴氣后火箭的質(zhì)量是m，火箭獲得的速度是Δv，根據(jù)動量守恒定律有：mΔv+Δmu=0 解得：Δv=-u。 ②決定火箭性能的參數(shù) 根據(jù)Δv=-u可知，火箭性能參數(shù)與噴氣速度u和噴射的燃氣質(zhì)量與噴氣后火箭質(zhì)量之比有關(guān)。 主題3：(1)反沖運動與一維碰撞都是短時間內(nèi)進行的，且系統(tǒng)內(nèi)力遠大于外力，系統(tǒng)動量守恒。 (2)一維碰撞的過程中，機械能可能不變，也可能減少，但不會增加;而反沖運動過程中，機械能有時不變，但更多的時候是增加的。 基礎(chǔ)智能檢測 1.?D　2.?CD　3.?D 4.?112 N 全新視角拓展 1.?(1)　(2) 【解析】由于放射過程極短，放射過程中其他外力的沖量均可不計，整個原子核系統(tǒng)動量守恒。 (1)設(shè)剩余部分對地的反沖速度為v，由于原子核原來靜止，故后來粒子的動量大小等于原子核剩余部分的動量大小，即有 mv0=(M—m) v 解得： v=。 (2)設(shè)原子核剩余部分對地的反沖速度大小為v，則粒子的對地速率為v=v0—v。由于原子核原來靜止，故后來粒子的動量大小等于原子核剩余部分的動量大小，即有m(v0—v)=(M—m) v 所以v= 即原子核剩余部分速率為。 2.?71.?4 m/s 【解析】以火箭(包括在5 s內(nèi)要噴出的氣體)為系統(tǒng)，系統(tǒng)的總動量守恒，以火箭的運動方向為正方向，則5 s后火箭的動量為(M-m205)v，所噴出的氣體動量為-(m205)v，由動量守恒定律得： (M-m205)v-(m205)v=0 代入數(shù)據(jù)，得v=71.?4 m/s。 3.?45 m 【解析】本題屬反沖運動的問題，用到了動量守恒定律，這是因為爆炸過程內(nèi)力遠大于外力。分析在爆炸的瞬間，爆竹獲得向上的速度v1，木塊獲得向下的速度v2，A、B系統(tǒng)在豎直方向可以看作動量守恒，而木塊在其重力及沙子的阻力作用下以初速度v2下陷一段距離，由牛頓第二定律可求出v2來。對木塊A進行分析，以向下為正方向，有a== v2=0.?5 m/s 即在爆炸的瞬間木塊A獲得向下的速度v2=0.?5 m/s 以A、B為對象，系統(tǒng)動量守恒，有mBv1-mAv2=0 v1==30 m/s 爆炸后，爆竹以v1做豎直上拋運動，上升的最大高度為： h==45 m。