人教版(新教材)高中物理選擇性必修1學(xué)案6：1 6 反沖現(xiàn)象 火箭

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE11.6反沖現(xiàn)象火箭〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.通過實例了解反沖的概念及反沖運動的一些應(yīng)用。2.知道火箭工作原理，能利用動量守恒定律解釋反沖現(xiàn)象。3.探究火箭的發(fā)射原理。4.了解我國航空、航天事業(yè)的成就，激發(fā)學(xué)生愛國主義熱情。〖知識梳理〗知識點一反沖現(xiàn)象1．定義：發(fā)射炮彈時，炮彈從炮筒中飛出，炮身則向。炮身的這種運動叫作反沖。2．規(guī)律：反沖現(xiàn)象中，系統(tǒng)內(nèi)力很大，外力可忽略，滿足。3．反沖現(xiàn)象的防止及應(yīng)用(1)防止：用槍射擊時，由于槍身的反沖會影響射擊的，所以用槍射擊時要把槍身抵在肩部，以減少反沖的影響。(2)應(yīng)用：農(nóng)田、園林的噴灌裝置利用反沖使水從噴口噴出時，一邊噴水一邊。知識點二火箭1．工作原理：利用的原理，火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣從尾部噴管迅速噴出，使火箭獲得巨大速度。2．影響火箭獲得速度大小的因素一是，二是火箭噴出物質(zhì)的質(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比。噴氣速度，質(zhì)量比，火箭獲得的速度越大。注意：由火箭的工作原理可知,與火箭發(fā)生相互作用的是火箭噴出的燃氣,而不是外界的空氣?！颊n堂探究〗探究1對反沖運動的理解情景1：取一只藥瓶或，在其蓋上鉆一小孔(瓶蓋與瓶子需密封)，再取一塊厚泡沫塑料，參照圖做成船的樣子，并在船上挖一凹坑，以容納盛酒精的容器(可用金屬瓶蓋)。用兩段鐵絲，彎成環(huán)狀以套住瓶的兩端，并將鐵絲的端頭分別插入船中。將一棉球放入容器中，并倒入少量酒精，在瓶中裝入半瓶開水。將船放入水中，點燃酒精棉球后一會兒產(chǎn)生水蒸氣，當(dāng)水蒸氣從藥瓶蓋的孔中噴出時，小船便能勇往直前了。小船向前運動體現(xiàn)了什么物理原理？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)在反沖運動中，相互作用力一般較大，通常可以用動量守恒定律來處理。(3)在反沖運動中，由于有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機械能，所以系統(tǒng)的總動能增加。2．處理反沖運動應(yīng)注意的問題(1)速度的方向?qū)τ谠瓉盱o止的整體，拋出部分與剩余部分的運動方向必然相反。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，則反方向的速度應(yīng)取負值。(2)相對速度問題在反沖運動中，有時遇到的速度是兩物體的相對速度。此類問題中應(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。(3)變質(zhì)量問題如在火箭的運動過程中，隨著燃料的消耗，火箭本身的質(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來進行研究。例1反沖小車靜止放在水平光滑玻璃上，點燃酒精，蒸汽將橡皮塞水平噴出，小車沿相反方向運動。如果小車運動前的總質(zhì)量M＝3kg，水平噴出的橡皮塞的質(zhì)量m＝0.1kg。(1)若橡皮塞噴出時獲得的水平速度v＝2.9m/s，求小車的反沖速度；(2)若橡皮塞噴出時速度大小不變，方向與水平方向成60°角，小車的反沖速度又如何(小車一直在水平方向運動)?規(guī)律方法反沖運動和碰撞、爆炸有相似之處，相互作用力常為變力，且作用力大，一般都滿足內(nèi)力?外力，所以反沖運動可用動量守恒定律來處理。探究2對火箭工作原理的理解情景2：我國早在宋代就發(fā)明了火箭，在箭桿上捆一個前端封閉的火藥筒，火藥點燃后生成的燃氣以很大的速度向后噴出，火箭就會向前運動。請思考：(1)古代火箭的運動是否為反沖運動？(2)火箭飛行利用了怎樣的工作原理？1．工作原理應(yīng)用反沖運動，其反沖過程動量守恒。它靠向后噴出的氣流的反沖作用而獲得向前的速度。2．分析火箭類問題應(yīng)注意的三個問題(1)火箭在運動過程中，隨著燃料的燃燒，火箭本身的質(zhì)量不斷減小，故在應(yīng)用動量守恒定律時，必須取在同一相互作用時間內(nèi)的火箭和噴出的氣體為研究對象。注意反沖前、后各物體質(zhì)量的變化。(2)明確兩部分物體初、末狀態(tài)的速度的參考系是否為同一參考系，如果不是同一參考系要設(shè)法予以轉(zhuǎn)換，一般情況要轉(zhuǎn)換成對地的速度。(3)列方程時要注意初、末狀態(tài)動量的方向。例2總質(zhì)量為M的火箭以速度v0飛行，質(zhì)量為m的燃氣相對于火箭以速率u向后噴出，則火箭的速度大小為()A．v0＋eq\f(mu,M)B．v0－eq\f(mu,M)C．v0＋eq\f(m,M－m)(v0＋u)D．v0＋eq\f(mu,M－m)規(guī)律方法火箭類反沖問題解題要領(lǐng)(1)兩部分物體初、末狀態(tài)的速度的參考系必須是同一參考系，且一般以地面為參考系。(2)要特別注意反沖前、后各物體質(zhì)量的變化。(3)列方程時要注意初、末狀態(tài)動量的方向?！颊n堂達標(biāo)〗1．(多選)2019年春節(jié)上映的國產(chǎn)科幻大片《流浪地球》中有這樣的情節(jié)：為了自救，人類提出一個名為“流浪地球”的大膽計劃，即傾全球之力在地球表面建造上萬座發(fā)動機，推動地球離開太陽系，用2500年的時間奔往另外一個棲息之地。這個科幻情節(jié)中有反沖運動的原理?，F(xiàn)實中的下列運動屬于反沖運動的有()A．汽車的運動B．直升機的運動C．火箭的運動D．反擊式水輪機的運動2.如圖所示，裝有炮彈的火炮總質(zhì)量為m1，炮彈的質(zhì)量為m2，炮彈射出炮口時對地的速率為v0，若炮管與水平地面的夾角為θ，則火炮后退的速度大小為(設(shè)水平地面光滑)()A．eq\f(m2,m1)v0B．eq\f(m2v0,m1－m2)C．eq\f(m2v0cosθ,m1－m2)D．eq\f(m2v0cosθ,m1)3．一個士兵在皮劃艇上，他連同裝備和皮劃艇的總質(zhì)量為M，這個士兵用自動步槍沿水平方向射出一發(fā)質(zhì)量為m的子彈，子彈離開槍口時相對步槍的速度為v，射擊前皮劃艇是靜止的，則射出子彈后皮劃艇的速度為()A．eq\f(mv,M－m)B．eq\f(mv,M)C．eq\f(mv,M＋m)D．eq\f(M－mv,M)4．“長征五號”系列運載火箭是目前中國運載能力最大的火箭，又稱“胖五”。2019年12月27日20時45分，“長征五號”遙三運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功將“實踐二十號”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。模擬發(fā)射火箭的實驗如下：靜止的實驗火箭，總質(zhì)量為M＝2100g，當(dāng)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略不計)()A．42m/sB．－42m/sC．40m/sD．－40m/s5．在地球大氣層以外的宇宙空間，基本上按照天體力學(xué)的規(guī)律運行的各類飛行器，又稱空間飛行器(spacecraft)。航天器是執(zhí)行航天任務(wù)的主體，是航天系統(tǒng)的主要組成部分。由于外太空是真空的，飛行器在加速過程中一般使用火箭推進器，火箭在工作時利用電場加速帶電粒子，形成向外發(fā)射的粒子流而對飛行器產(chǎn)生反沖力，由于阻力極小，只需一點點動力即可以達到很高的速度。我國發(fā)射的“實踐9號”攜帶的衛(wèi)星上第一次使用了離子電推力技術(shù)，從此為我國的航天技術(shù)開啟了一扇新的大門。如圖所示，已知飛行器的質(zhì)量為M，發(fā)射的是2價氧離子，發(fā)射功率為P，加速電壓為U，每個氧離子的質(zhì)量為m，元電荷為e，原來飛行器靜止，不計發(fā)射氧離子后飛行器質(zhì)量的變化，求：(1)射出的氧離子速度大?。?2)每秒鐘射出的氧離子數(shù)；(3)射出離子后飛行器開始運動的加速度大小。

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖知識梳理〗知識點一后退后退動量守恒定律準(zhǔn)確性旋轉(zhuǎn)知識點二反沖噴氣速度越大越大〖課堂探究〗情景1：反沖原理。例1〖解析〗(1)以橡皮塞運動的方向為正方向，根據(jù)動量守恒定律有mv＋(M－m)v′＝0v′＝－eq\f(m,M－m)v＝－eq\f(0.1,3－0.1)×2.9m/s＝－0.1m/s負號表示小車的運動方向與橡皮塞運動的方向相反。(2)以橡皮塞運動的水平分運動方向為正方向，有mvcos60°＋(M－m)v″＝0v″＝－eq\f(mvcos60°,M－m)＝－eq\f(0.1×2.9×0.5,3－0.1)m/s＝－0.05m/s負號表示小車的運動方向與橡皮塞運動的水平分運動的方向相反。〖答案〗(1)0.1m/s，方向與橡皮塞運動的方向相反(2)0.05m/s，方向與橡皮塞運動的水平分運動的方向相反情景2：(1)古代火箭的運動是反沖運動。(2)火箭靠向后連續(xù)噴射高速氣體飛行，利用了反沖原理。例2〖答案〗A〖解析〗設(shè)噴出氣體后火箭的速度大小為v，則燃氣的對地速度為(v－u)(取火箭的速度方向為正方向)，由動量守恒定律，得Mv0＝(M－m)v＋m(v－u)解得v＝v0＋eq\f(mu,M)，A項正確?！颊n堂達標(biāo)〗1.〖答案〗CD〖解析〗汽車的運動利用了汽車的牽引力，不屬于反沖運動，故A錯誤；直升機的運動利用了空氣的反作用力，不屬于反沖運動，故B錯誤；火箭是利用噴氣的方式獲得動力的，其運動屬于反沖運動，故C正確；反擊式水輪機利用了水的反沖作用而獲得動力，其運動屬于反沖運動，故D正確。2.〖答案〗C〖解析〗炮彈和火炮組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒，0＝m2v0cosθ－(m1－m2)v，得v＝eq\f(m2v0cosθ,m1－m2)，選項C正確。3.〖答案〗B〖解析〗子彈與皮劃艇組成的系統(tǒng)動量守恒，以子彈的速度方向為正方向，以地面為參考系，設(shè)皮劃艇的速度為v1，則子彈的速度為v－v1，由動量守恒定律得m(v－v1)－(M－m)v1＝0，解得v1＝eq\f(mv,M)，選項B正確。4.〖答案〗B〖解析〗火箭噴出氣體過程中重力和空氣阻力可忽略不計，可知火箭和噴出的氣體在豎直方向的動量守恒，以噴出氣體的速度方向為正方向，由動量守恒定律得Δmv0＋(M－Δm)v＝0，解得v＝－42m/s，選項B正確。5.〖解析〗(1)以氧離子為研究對象，根據(jù)動能定理，有2eU＝eq\f(1,2)mv2所以，氧離子速度為v＝2eq\r(\f(eU,m))。(2)設(shè)每秒鐘射出的氧離子數(shù)為N，則發(fā)射功率可表示為P＝NΔEk＝2Ne