第6課時 反沖運動 -2023-2024學(xué)年高二物理（人教版2019）（原卷版）

第6課反沖運動火箭學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標課程標準學(xué)習(xí)目標體會用動量守恒定律分析物理問題的方法，體會自然界的和諧與統(tǒng)一。1．生疏反沖現(xiàn)象。2．理解反沖運動遵循的規(guī)律，會解決人船模型問題。3．理解火箭的原理。002預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)（一）課前閱讀：當大多數(shù)人想到馬達或發(fā)動機時，會認為它們與旋轉(zhuǎn)有關(guān)。例如，汽車里的往復(fù)式汽油發(fā)動機會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動能量以驅(qū)動車輪。電動馬達產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動能量則用來驅(qū)動風(fēng)扇或轉(zhuǎn)動磁盤。蒸汽發(fā)動機也用來完成同樣的工作，蒸汽輪機和大多數(shù)燃氣輪機也是如此?；鸺l(fā)動機則與之有著根本的區(qū)分。它是一種反作用力式發(fā)動機?；鸺l(fā)動機是以一條有名的牛頓定律作為基本驅(qū)動原理的，該定律認為“每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力”?；鸺l(fā)動機向一個方向拋射物質(zhì)，結(jié)果會獲得另一個方向的反作用力。開頭時您可能很難理解“拋射物質(zhì)，獲得反作用力”這個概念，由于這好像和真實狀況不大一樣?；鸺l(fā)動機好像只會發(fā)出火焰和噪音，制造壓力，而與“拋射物質(zhì)”沒什么關(guān)系。我們來看幾個例子，以便更好地了解真實狀況：假如您曾經(jīng)使用過獵槍，特殊是那種12鉛徑的大獵槍，那么您就知道它會產(chǎn)生巨大的“撞擊力”。也就是說，當您開槍時，獵槍會狠狠地向后“撞擊”您的肩膀。這種撞擊力就是反作用力。獵槍將31.1克的金屬以大約1120公里/小時的速度沿某個方向放射出去，同時您的肩膀會受到反作用力的撞擊。假如您開槍時穿著輪滑鞋或站在滑雪板上，槍會起到類似于火箭發(fā)動機的作用，反作用力會使您向相反的方向滑動。假如您見過粗大的消防水管噴水的場景，可能會留意到消防員要花很大的力氣才能抓住它（有時您會看到有兩名或三名消防員手持同一根消防水管）。水管發(fā)生的狀況與火箭發(fā)動機類似。水管向一個方向噴水，消防員們則運用自身的力氣和重量來克服反作用力。假如他們放開水管，那么水管會勁頭十足地四處亂撞。假如消防員全都站在滑雪板上，水管將推動他們以極快的速度向后移動。假如您吹起一個氣球，然后放開它，那么它會滿屋子亂飛，直到里面的空氣漏光為止，這就是您制造的火箭發(fā)動機。在這種狀況下，被拋射出去的是氣球中的空氣分子。與很多人的想法不同，空氣分子其實是有質(zhì)量的（請查看有關(guān)氦的頁面，以便更好地了解空氣質(zhì)量的問題）。假如您讓空氣從氣球的噴口中噴出來，氣球的其余部分則會向相反的方向運動。（二）基礎(chǔ)梳理一、反沖運動反沖運動的三點說明作用原理反沖運動是系統(tǒng)內(nèi)兩物體之間的作用力和反作用力產(chǎn)生的效果動量守恒反沖運動中系統(tǒng)不受或內(nèi)力外力矢量和，所以反沖運動遵循機械能增加反沖運動中，由于有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機械能，所以系統(tǒng)的總機械能【概念連接】作用力與反作用力、反沖【拓展補充】狹義的反沖運動指的是原來靜止的物體，僅在內(nèi)力作用下分成兩部分?！炯磳W(xué)即練】我國在酒泉衛(wèi)星放射中心用長征四號乙運載火箭成功放射首顆X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”．假設(shè)將放射火箭看成如下模型：靜止的試驗火箭，總質(zhì)量為M＝2100g．當它以對地速度為v0＝840m/s噴出質(zhì)量為Δm＝100g的高溫氣體后，火箭的對地速度為(噴出氣體過程中重力和空氣阻力可忽視不計)()A．42m/sB．－42m/sC．40m/sD．－40m/s【微點撥】留意方向二、火箭1.火箭的原理火箭的工作原理是運動，其反沖過程守恒，它靠向后噴出的氣流的反沖作用而獲得的速度。2.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m/s。②火箭的質(zhì)量比：指火箭起飛時的質(zhì)量與之比，打算于火箭的結(jié)構(gòu)和材料?，F(xiàn)代火箭的質(zhì)量比一般小于。噴氣速度，質(zhì)量比，火箭獲得的速度?！靖拍钸B接】噴氣式飛機【拓展補充】火箭獲得的最終速度火箭放射前的總質(zhì)量為M、燃料燃盡后的質(zhì)量為m，火箭燃氣的噴射速度為v1，如圖所示，燃料燃盡后火箭的飛行速度v為多大？在火箭放射過程中，由于內(nèi)力遠大于外力，所以動量守恒。放射前的總動量為0，放射后的總動量為mv－(M－m)v1(以火箭的速度方向為正方向)則mv－(M－m)v1＝0所以v＝(eq\f(M,m)－1)v1燃料燃盡時火箭獲得的最終速度由噴氣速度及質(zhì)量比M/m打算。【即學(xué)即練】一火箭噴氣發(fā)動機每次噴出m＝200g的氣體，氣體離開發(fā)動機噴出時的速度v＝1000m/s.設(shè)火箭(包括燃料)質(zhì)量M＝300kg，發(fā)動機每秒噴氣20次．(1)當發(fā)動機第三次噴出氣體后，火箭的速度為多大？(2)運動第1s末，火箭的速度為多大？【微點撥】留意對應(yīng)的質(zhì)量三、人船模型1.模型圖示2.模型特點①兩物體滿足動量守恒定律：mv人－Mv船＝②兩物體的位移滿足：meq\f(x人,t)－Meq\f(x船,t)＝，x人＋x船＝L，得x人＝eq\f(M,M＋m)L，x船＝eq\f(m,M＋m)L3.運動特點①人動則船，人靜則船，人快船，人慢船，人左船；②人船位移比等于它們質(zhì)量的；人船平均速度(瞬時速度)比等于它們質(zhì)量的，即eq\f(x人,x船)＝eq\f(v人,v船)＝eq\f(M,m).【拓展補充】這種模型不肯定是人和船【即學(xué)即練】如圖所示，質(zhì)量m＝60kg的人，站在質(zhì)量M＝300kg的車的一端，車長L＝3m，相對于地面靜止。當車與地面間的摩擦可以忽視不計時，人由車的一端走到另一端的過程中，車將()A．后退0.5mB．后退0.6mC．后退0.75mD．始終勻速后退【微點撥】留意參考系統(tǒng)一為地面（三）預(yù)習(xí)作業(yè)1．世界上第一個想利用火箭飛行的人是明朝的士大夫萬戶．如圖所示，他把47個自制的火箭綁在椅子上，自己坐在椅子上，雙手舉著大風(fēng)箏，設(shè)想利用火箭的推力，飛上天空，然后利用風(fēng)箏平穩(wěn)著陸．假設(shè)萬戶及所攜設(shè)備[火箭(含燃料)、椅子、風(fēng)箏等]總質(zhì)量為M，點燃火箭后在極短的時間內(nèi)，質(zhì)量為m的酷熱燃氣相對地面以v0的速度豎直向下噴出．忽視此過程中空氣阻力的影響，重力加速度為g，下列說法中正確的是()A．火箭的推力來源于空氣對它的反作用力B．在燃氣噴出后的瞬間，火箭的速度大小為eq\f(mv0,M－m)C．噴出燃氣后，萬戶及所攜帶設(shè)備能上升的最大高度為eq\f(m2v\o\al(02),gM－m2)D．在火箭噴氣過程中，萬戶所攜設(shè)備機械能守恒2．如圖所示，氣球下面有一根長繩，一個質(zhì)量為m1＝50kg的人抓在氣球下方，氣球和長繩的總質(zhì)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．假如這個人開頭沿繩向下滑，當滑到繩下端時，他離地面的高度是(可以把人看成質(zhì)點)()A．5m B．3.6mC．2.6m D．8m003探究提升環(huán)節(jié)一反沖運動思考：1．（多選）關(guān)于反作用力在日常生活和生產(chǎn)技術(shù)中的應(yīng)用，下列說法中正確的是()A．在安靜的水面上，靜止著一只小船，小船上有一人，人從靜止開頭從小船的一端走向另一端時，小船向相反方向運動B．一般汽車行駛時，通過排氣筒向后排出燃氣，從而獲得向前的反作用力即動力C．農(nóng)田澆灌用自動噴水器，當水從彎管的噴嘴里噴射出來時，彎管會自動轉(zhuǎn)向D．軟體動物烏賊在水中經(jīng)過體側(cè)的孔將水吸入鰓腔，然后用力把水擠出體外，烏賊就會向相反方向游去2．（多選）光滑水平面上放有質(zhì)量分別為2m和m的物塊A和B，用細線將它們連接起來，兩物塊中間加有一壓縮的輕質(zhì)彈簧(彈簧與物塊不相連)，彈簧的壓縮量為x?，F(xiàn)將細線剪斷，此刻物塊A的加速度大小為a，兩物塊剛要離開彈簧時物塊A的速度大小為v，則()A．物塊B的加速度大小為a時彈簧的壓縮量為eq\f(x,2)B．物塊A從開頭運動到剛要離開彈簧時位移大小為eq\f(2,3)xC．物塊開頭運動前彈簧的彈性勢能為eq\f(3,2)mv2D．物塊開頭運動前彈簧的彈性勢能為3mv2環(huán)節(jié)二火箭問題探究1：運送人造地球衛(wèi)星的火箭開頭工作后，火箭做加速運動的緣由是()A．燃料推動空氣，空氣反作用力推動火箭B．火箭發(fā)動機用力將燃料燃燒產(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，然后向后排出，空氣對火箭的反作用力推動火箭D．火箭燃料燃燒發(fā)熱，加熱四周空氣，空氣膨脹推動火箭環(huán)節(jié)三人船模型問題探究2：有一只小船?？吭诤叴a頭，小船又窄又長(重一噸左右)．一位同學(xué)想用一個卷尺粗略測定它的質(zhì)量．他進行了如下操作：首先將船平行于碼頭自由?？浚p輕從船尾上船，走到船頭停下，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.已知他的自身質(zhì)量為m，水的阻力不計，則船的質(zhì)量為()A.eq\f(mL＋d,d) B.eq\f(mL－d,d)C.eq\f(mL,d) D.eq\f(mL＋d,L)004體系構(gòu)建人船模型——反沖運動——火箭005記憶清單一、反沖運動★學(xué)習(xí)聚焦：留意實際應(yīng)用二、火箭★學(xué)習(xí)聚焦：1．火箭的工作原理：反沖現(xiàn)象。2．多級火箭：能準時把空殼拋掉，使火箭的總質(zhì)量削減，因而能夠達到很高的速度，但火箭的級數(shù)不是越多越好，級數(shù)越多，構(gòu)造越簡單，工作的牢靠性越差，目前多級火箭一般都是三級火箭。三、人船模型★學(xué)習(xí)聚焦：留意參考系00601強化訓(xùn)練1．質(zhì)量為M的氣球上有一個質(zhì)量為m的人，氣球和人在靜止的空氣中共同靜止于離地h高處，假如從氣球上漸漸放下一個質(zhì)量不計的軟梯，讓人沿軟梯降到地面，則軟梯長至少應(yīng)為()A.eq\f(m,m＋M)h B.eq\f(M,m＋M)hC.eq\f(M＋m,M)h D.eq\f(M＋m,m)h2．如圖所示，一個傾角為α的直角斜面體靜置于光滑水平面上，斜面體質(zhì)量為M，頂端高度為h.現(xiàn)有一質(zhì)量為m的小物塊，沿光滑斜面下滑，當小物塊從斜面頂端自由下滑到底端時，斜面體在水平面上移動的距離是()A.eq\f(mh,M＋m) B.eq\f(Mh,M＋m)C.eq\f(mh,M＋mtanα) D.eq\f(Mh,M＋mtanα)3.（多選）如圖所示，小車AB放在光滑水平面上，A端固定一個輕彈簧，B端粘有油泥，小車總質(zhì)量為M，質(zhì)量為m的木塊C放在小車上，用細繩連接于小車的A端并使彈簧壓縮，開頭時AB和C都靜止，當突然燒斷細繩時，C被釋放，使C離開彈簧向B端沖去，并跟B端油泥粘在一起，忽視一切摩擦，以下說法正確的是()A．彈簧伸長過程中C向右運動，同時小車也向右運動B．C與油泥碰前，C與小車的速率之比為M∶mC．C與油泥粘在一起后，小車馬上停止運動D．C與油泥粘在一起后，小車連續(xù)向右運動4．如圖所示，甲、乙兩船的總質(zhì)量(包括船、人和貨物)分別為10m、12m，兩船沿同始終線同一方向運動，速度分別為2v0、v0。為避開兩船相撞，乙船上的人將一質(zhì)量為m的貨物沿水平方向拋向甲船，甲船上的人將貨物接住，求拋出貨物的最小速度。(不計水的阻力)5.如圖所示，小車的質(zhì)量M＝2.0kg，帶有光滑的圓弧軌道AB和粗糙的水平軌道BC，且兩軌道相切于B點。一小物塊(可視為質(zhì)點)質(zhì)量為m＝0.5kg，與軌道BC間的動摩擦因數(shù)μ＝0.10，BC部分的長度L＝0.80m，重力加速度g取10m/s2。(1)若小車固定在水平面上，將小物塊從AB軌道的D點靜止釋放，小物塊恰好可運動到C點。試求D點與BC軌道的高度差；(2)若將小車置于光滑水平面上，小物塊仍從AB軌道的D點靜止釋放，試求小物塊滑到BC中點時的速度大小。6．在光滑水平面上有三個彈性小鋼球a、b、c處于靜止狀態(tài)，質(zhì)量分別為2m、m和2m。其中a、b兩球間夾一被壓縮了的彈簧，兩球被左右兩邊的光滑擋板束縛著。若某時刻將擋板撤掉，彈簧便把a、b兩球彈出，兩球脫離彈簧后，a球獲得的速度大小為v，若b、c兩球相距足夠遠，則b、c兩球相碰后()A．b球的速度大小為eq\f(1,3)v，運動方向與原來相反B．b球的速度大小為eq\f(2,3)v，運動方向與原來相反C．c球的速度大小為eq\f(8,3)vD．c球的速度大小為eq\f(2,3)v7.如圖所示為“驗證動量守恒定律”的試驗裝置，兩個帶有等寬遮光條的滑塊A、B的質(zhì)量分別為mA、mB，在A、B間鎖定一壓縮的輕彈簧，將其置于氣墊導(dǎo)軌上。已知A到C與B到D的距離相等，遮光條的寬度為d。接通充氣開關(guān)，解除彈簧的鎖定，彈簧將兩滑塊沿相反方向彈開，光電門C、D記錄下兩遮光條通過的時間分別為t1和t2。(1)