物理新导学笔记人教通用选修3-5实用课件：第十六章,动量守恒定律5,.pptx

5 反冲运动 火箭 第十六章 动量守恒定律 学习目标 1 了解反冲运动及反冲运动的典型事例 2 能够应用动量守恒定律分析反冲运动问题 3 了解火箭的飞行原理及决定火箭最终速度大小的因素 内容索引 重点探究 启迪思维 探究重点 达标检测 检测评价 达标过关 自主预习 预习新知 夯实基础 自主预习 一 反冲现象 1 定义 一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分 一部分向某个方向运动 另一部分必然向 的方向运动的现象 2 规律 反冲运动中 相互作用力一般较大 满足 3 反冲现象的应用及防止 1 应用 农田 园林的喷灌装置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 会影响射击的准确性 所以用枪射 击时要把枪身抵在肩部 以减少反冲的影响 相反 动量守恒定律 旋转 反冲 二 火箭 1 工作原理 利用 运动 火箭燃料燃烧产生的高温 高压燃气从 喷管迅速喷出 使火箭获得巨大的向前的速度 2 影响火箭获得速度大小的两个因素 1 喷气速度 现代火箭的喷气速度为2 000 4 000 m s 2 质量比 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 如发射探测仪器 常规 弹头和核弹头 人造卫星和宇宙飞船等 反冲 尾部 越大越大 运载 即学即用 1 判断下列说法的正误 1 反冲运动是相互作用的物体之间的作用力与反作用力产生的效果 2 只有系统合外力为零的反冲运动才能用动量守恒定律来分析 3 反冲运动的原理既适用于宏观物体 也适用于微观粒子 4 火箭点火后离开地面加速向上运动 是地面对火箭的反作用力作用的 结果 5 在没有空气的宇宙空间 火箭仍可加速前行 答案 2 如图1所示是一门旧式大炮 炮车和炮弹的质量分别是M和m 炮筒与 地面的夹角为 炮弹射出出口时相对于地面的速度为v0 不计炮车与地 面的摩擦 求炮身向后反冲的速度大小v为 图1 答案解析 解析 取炮弹与炮车组成的系统为研究对象 因不计炮车与地面的摩擦 所以水平方向动量守恒 炮弹发射前 系统的总动量为零 炮弹发射后 炮弹的水平分速度为v0cos 根据动量守恒定律有 mv0cos Mv 0 重点探究 一 反冲运动的理解和应用 导学探究 在生活中常见到这样的情形 吹饱的气球松手后喷出气体 同时向相反方向飞去 点燃 钻天猴 的药捻 便会向后喷出亮丽的 火焰 同时 嗖 的一声飞向天空 乌贼向后喷出水后 它的身体却能 向前运动 结合这些事例 体会反冲运动的概念 并思考以下问题 1 反冲运动的物体受力有什么特点 答案 答案 物体的不同部分受相反的作用力 在内力作用下向相反方向运动 2 反冲运动过程中系统的动量 机械能有什么变化 答案 答案 反冲运动中 相互作用的内力一般情况下远大于外力 所以系统的 动量守恒 反冲运动中 由于有其他形式的能转变为机械能 所以系统的 机械能增加 知识深化 1 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情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 2 讨论反冲运动应注意的两个问题 1 速度的方向性 对于原来静止的整体 当被抛出部分具有速度时 剩 余部分的反冲是相对于抛出部分来说的 两者运动方向必然相反 在列动 量守恒方程时 可任意规定某一部分的运动方向为正方向 则反方向的 另一部分的速度就要取负值 2 速度的相对性 反冲运动的问题中 有时遇到的速度是相互作用的两 物体的相对速度 但是动量守恒定律中速度是对同一惯性参考系的速度 通常为对地的速度 因此应先将相对速度转换成对地的速度 再列动量 守恒定律方程 例1 反冲小车静止放在水平光滑玻璃上 点燃酒精 水蒸气将橡皮塞水 平喷出 小车沿相反方向运动 如果小车运动前的总质量M 3 kg 水平喷 出的橡皮塞的质量m 0 1 kg 水蒸气质量忽略不计 1 若橡皮塞喷出时获得的水平速度v 2 9 m s 求小车的反冲速度 答案 0 1 m s 方向与橡皮塞运动的方向相反 答案解析 解析 小车和橡皮塞组成的系统所受外力之和为零 系统总动量为零 以 橡皮塞运动的方向为正方向 根据动量守恒定律 mv M m v 0 负号表示小车运动方向与橡皮塞运动的方向相反 反冲速度大小是0 1 m s 2 若橡皮塞喷出时速度大小不变 方向与水平方向成60 角 小车的反冲 速度又如何 小车一直在水平方向运动 答案 0 05 m s 方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反 答案解析 解析 小车和橡皮塞组成的系统水平方向动量守恒 以橡皮塞运动的水平 分运动方向为正方向 有 mvcos 60 M m v 0 负号表示小车运动方向与橡皮塞运动的水平分运动方向相反 反冲速度大 小是0 05 m s 针对训练1 爆竹声中一岁除 春风送暖入屠苏 爆竹声响是辞旧迎 新的标志 是喜庆心情的流露 有一个质量为3m的爆竹斜向上抛出 到达 最高点时速度大小为v0 方向水平向东 在最高点爆炸成质量不等的两块 其中一块质量为2m 速度大小为v 方向水平向东 则另一块的速度是 A 3v0 v B 2v0 3v C 3v0 2v D 2v0 v 解析 在最高点水平方向动量守恒 以水平向东为正方向 由动量守恒定 律可知 3mv0 2mv mv 可得另一块的速度为v 3v0 2v 故C正 确 答案解析 二 火箭的工作原理分析 导学探究 1 火箭飞行的工作原理是什么 答案 火箭靠向后连续喷射高速气体飞行 利用了反冲原理 答案 2 设火箭发射前的总质量是M 燃料燃尽后的质量为m 火箭燃气的喷射 速度为v 试求燃料燃尽后火箭飞行的最大速度v 答案 答案 在火箭发射过程中 由于内力远大于外力 所以可认为动量守恒 取火箭的速度方向为正方向 发射前火箭的总动量为0 发射后的总动量 为mv M m v 则由动量守恒定律得0 mv M m v 知识深化 1 火箭喷气属于反冲类问题 是动量守恒定律的重要应用 2 分析火箭类问题应注意的三个问题 1 火箭在运动过程中 随着燃料的燃烧 火箭本身的质量不断减小 故 在应用动量守恒定律时 必须取在同一相互作用时间内的火箭和喷出的 气体为研究对象 注意反冲前 后各物体质量的变化 2 明确两部分物体初 末状态的速度的参考系是否为同一参考系 如果 不是同一参考系要设法予以调整 一般情况要转换成对地的速度 3 列方程时要注意初 末状态动量的方向 例2 一火箭喷气发动机每次喷出m 200 g的气体 气体离开发动机喷 出时的速度v 1 000 m s 设火箭质量M 300 kg 发动机每秒钟喷气20 次 1 当第三次喷出气体后 火箭的速度多大 答案解析 答案 2 m s 解析 规定与v相反的方向为正方向 设喷出三次气体后 火箭的速度为v3 2 运动第1 s末 火箭的速度多大 答案解析 答案 13 5 m s 针对训练2 将质量为1 00 kg的模型火箭点火升空 50 g燃烧的燃气以 大小为600 m s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出 在燃气喷出后的 瞬间 火箭的动量大小为 喷出过程中重力和空气阻力可忽略 A 30 kg m s B 5 7 102 kg m s C 6 0 102 kg m s D 6 3 102 kg m s 答案 三 反冲运动的应用 人船模型 1 人船模型 问题 两个原来静止的物体发生相互作用时 若所受外力的矢量和为零 则动量 守恒 在相互作用的过程中 任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的 反比 这样的问题归为 人船模型 问题 例3 有一只小船停在静水中 船上一人从船头走到船尾 如果人的质 量m 60 kg 船的质量M 120 kg 船长为l 3 m 则船在水中移动的 距离是多少 水的阻力不计 答案解析 答案 1 m 解析 人在船上走时 由于人 船组成的系统所受合 力为零 总动量守恒 因此系统的平均动量也守恒 如图所示 设人从船头到船尾的时间为t 在这段时间里船后退的 距离为x 人相对地面运动的距离为l x 选船后退方 向为正方向 由动量守恒有 针对训练3 质量为M的热气球吊筐中有一质量为m的人 它们共同静止在 距地面为h的高空中 现从热气球上放下一根质量不计的软绳 为使此人沿 软绳能安全滑到地面 则软绳至少有多长 答案解析 解析 如图所示 设绳长为L 人沿软绳滑至地面的时间为t 由图可知 L x人 x球 设人下滑的平均速度大小为v人 气球上升的平均速度大小为 v球 以向上为正方向 由动量守恒定律得 0 Mv球 mv人 又有x人 x球 L x人 h 人船模型 是利用平均动量守恒求解的一类问题 解决这类问题应 明确 1 适用条件 系统由两个物体组成且相互作用前静止 系统总动量为零 在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒 如水 平方向或竖直方向 2 画草图 解题时要画出各物体的位移关系草图 找出各长度间的 关系 注意两物体的位移是相对同一参考系的位移 总结提升 达标检测 1 反冲运动的认识 下列不属于反冲运动的是 A 喷气式飞机的运动 B 直升机的运动 C 火箭的运动 D 章鱼的运动 1234 答案 2 反冲运动的计算 步枪的质量为4 1 kg 子弹的质量为9 6 g 子弹从枪口 飞出时的速度为855 m s 步枪的反冲速度为 A 2 m s B 1 m s C 3 m s D 4 m s 答案 1234 解析 3 火箭的工作原理 运送人造地球卫星的火箭开始工作后 火箭做加速 运动的原因是 A 燃料推动空气 空气反作用力推动火箭 B 火箭发动机用力将燃料燃烧产生的气体向后推出 气体的反作用力推 动火箭 C 火箭吸入空气 然后向后排出 空气对火箭的反作用力推动火箭 D 火箭燃料燃烧发热 加热周围空气 空气膨胀推动火箭 1234 答案 4 人船模型的迁移 质量为m 半径为R的小球 放在半径 为2R 质量为2m的大空心球内 大球开始静止在光滑水平 面上 当小球从如图2所示的位置无初速度沿内壁滚到最低 点时 大球移动的距离是 1234 图2 答案解析