教科版 (2019)選擇性必修 第一冊6 反沖授課課件ppt

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1.了解反沖運動的概念及反沖運動的一些應(yīng)用。知道反沖運動的原理。2.掌握應(yīng)用動量守恒定律解決反沖運動問題。3.了解火箭的工作原理及決定火箭最終速度大小的因素。
1.知道反沖運動的概念及反沖運動的原理,培養(yǎng)正確的物理觀念。2.學(xué)會應(yīng)用動量守恒定律分析反沖運動問題,解決火箭的工作原理及提高火箭速度的方法,培養(yǎng)正確的科學(xué)思維。
一、反沖現(xiàn)象1.反沖:如果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的方向運動,這個現(xiàn)象叫作反沖。2.反沖運動的特點:反沖和碰撞、爆炸有著相似之處。反沖過程中相互作用力常為變力,且作用力大,一般都滿足內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力,所以可用動量守恒定律來處理。3.反沖運動有著廣泛的應(yīng)用,火箭、灌溉噴水器、反擊式水輪機(jī)等都是利用反沖來工作的。4.反沖運動中,內(nèi)力做功的代數(shù)和是否為零?答案:不為零。反沖運動中,兩部分受到的內(nèi)力做功的代數(shù)和為正值。
二、火箭的發(fā)射1.原理:火箭的飛行應(yīng)用了反沖的原理,靠噴出氣流的反沖作用來獲得巨大速度。2.影響火箭獲得速度大小的因素一是向后的噴氣速度,二是質(zhì)量比(火箭開始飛行時的質(zhì)量與燃料燃盡時的質(zhì)量之比)。噴氣速度越大,質(zhì)量比越大,火箭獲得的速度越大。
【思考討論】 1.判斷下列說法的正誤。(1)反沖運動是相互作用的物體之間的作用力與反作用力產(chǎn)生的效果。(　　)(2)只有系統(tǒng)合外力為零的反沖運動才能用動量守恒定律來分析。(　　)(3)反沖運動的原理既適用于宏觀物體,也適用于微觀粒子。(　　)(4)在沒有空氣的宇宙空間,火箭仍可加速前行。(　　)
2.(多選)采取下列哪些措施有利于增加噴氣式飛機(jī)的飛行速度(　　)A.使噴出的氣體速度增大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答案:AC
解析:設(shè)飛機(jī)原來總質(zhì)量為M,噴出的氣體質(zhì)量為m,噴出的氣體速度為v0,噴出氣體后飛機(jī)的速度為v,由動量守恒定律得(M-m)v-mv0=0,v= v0,可見m越大,v0越大,v越大,選項A、C正確。
3.我國為“長征”九號研制的大推力新型火箭發(fā)動機(jī)聯(lián)試成功,標(biāo)志著我國重型運載火箭的研發(fā)取得突破性進(jìn)展。若某次實驗中該發(fā)動機(jī)向后噴射的氣體速度約為3 km/s,產(chǎn)生的推力約為4.8×106 N,則它在1 s時間內(nèi)噴射的氣體質(zhì)量約為(　　)A.1.6×102 kgB.1.6×103 kgC.1.6×105 kgD.1.6×106 kg答案:B
4.下圖是一門舊式大炮,炮車和炮彈的質(zhì)量分別是M和m,炮筒與地面的夾角為α,炮彈射出出口時相對于地面的速度為v0。不計炮車與地面的摩擦,則炮車向后反沖的速度大小為　　　　　　　　　。?
解析:取炮彈與炮車組成的系統(tǒng)為研究對象,因不計炮車與地面的摩擦,所以水平方向動量守恒。炮彈發(fā)射前,系統(tǒng)的總動量為零,炮彈發(fā)射后,炮彈的水平分速度為v0cs α,以水平向右為正方向,根據(jù)動量守恒定律有
在生活中常見到這樣的情形:吹飽的氣球松手后噴出氣體,同時向相反方向飛去;點燃“鉆天猴”的藥捻,便會向后噴出亮麗的火焰,同時“嗖”的一聲飛向天空;烏賊向后噴出水后,它的身體卻能向前運動……結(jié)合這些事例,體會反沖運動的概念,并思考以下問題:(1)反沖運動的物體受力有什么特點?(2)反沖運動過程中系統(tǒng)的動量、機(jī)械能有什么變化?提示:(1)物體的不同部分受相反的作用力,在內(nèi)力作用下向相反方向運動。(2)反沖運動中,相互作用的內(nèi)力一般情況下遠(yuǎn)大于外力,所以系統(tǒng)的動量守恒;反沖運動中,由于有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,所以系統(tǒng)的機(jī)械能增加。
1.反沖運動的三個特點(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,相互作用的內(nèi)力一般情況下遠(yuǎn)大于外力或在某一方向上內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力,所以兩部分組成的系統(tǒng)動量守恒或在某一方向動量守恒。(3)反沖運動中,由于有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,所以系統(tǒng)的總動能增加。
2.討論反沖運動應(yīng)注意的三個問題(1)速度的方向性:對于原來靜止的整體,當(dāng)被拋出部分具有速度時,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就要取負(fù)值。(2)速度的相對性:反沖問題中,有時遇到的速度是相互作用的兩物體的相對速度。但是動量守恒定律中速度通常為相對地面的速度。因此應(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成相對地面的速度,再列動量守恒方程。
(3)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進(jìn)行研究。
反沖運動的拓展認(rèn)識(1)噴氣式飛機(jī)和火箭的飛行都應(yīng)用了反沖的原理。(2)日常生活中,有時要應(yīng)用反沖,有時要防止反沖,如農(nóng)田、園林的噴灌利用了水的反沖;用槍射擊時,要防止槍身的反沖。
【例題1】 一個連同裝備總質(zhì)量為M=100 kg的航天員,在距離飛船s=45 m處與飛船處于相對靜止?fàn)顟B(tài),他準(zhǔn)備對太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修,航天員背著裝有質(zhì)量為m0=0.5 kg O2的貯氣筒,筒內(nèi)有一個可以使O2以v=50 m/s的速度噴出的噴嘴。航天員在維修完畢哈勃望遠(yuǎn)鏡后,必須向著返回飛船方向的反方向釋放O2,才能回到飛船,同時又必須保留一部分O2供途中航天員呼吸之用,航天員的耗氧率為Q=2.5×10-4kg/s,如果不考慮噴出O2對設(shè)備與航天員總質(zhì)量的影響,則:(1)噴出多少O2,航天員才能安全返回飛船?(2)為了使總耗氧量最低,應(yīng)該一次噴出多少氧氣?返回時間是多少?
答案:(1)0.05~0.45 kg　(2)0.15 kg　600 s
解析:(1)以飛船為參考系,設(shè)沿著飛船運動的方向為正方向,并設(shè)噴出質(zhì)量為m的O2時航天員獲得的速度是v',對于“航天員和噴出的O2”這一系統(tǒng)而言,在噴氣方向上由動量守恒可得:
代入數(shù)據(jù)得m1=0.05 kg,m2=0.45 kg,即噴出0.05 kg或0.45 kg的O2時,航天員返回去剛好把剩余的O2呼吸完,假如噴出的O2介于m1和m2之間,則航天員返回后還有剩余的O2,故本問題的答案是噴出的O2介于0.05~0.45 kg之間,即可安全返回。
本題中航天員所帶的氧氣量一定,問題是要將它合理分配給呼吸和噴氣兩個方面使用,并能保證航天員安全返回飛船。
【變式訓(xùn)練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=3 kg,水平噴出的橡皮塞的質(zhì)量m=0.1 kg。(1)若橡皮塞噴出時獲得的水平速度v=2.9 m/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)?
答案:(1)0.1 m/s,方向與橡皮塞運動的方向相反(2)0.05 m/s,方向與橡皮塞運動的水平分運動方向相反
解析:(1)小車和橡皮塞組成的系統(tǒng)所受外力之和為零,系統(tǒng)總動量為零。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'=0
負(fù)號表示小車運動方向與橡皮塞運動的方向相反。
(2)小車和橡皮塞組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒。以橡皮塞運動的水平分運動方向為正方向,有mvcs 60°+(M-m)v″=0
負(fù)號表示小車運動方向與橡皮塞運動的水平分運動方向相反。
右圖是多級運載火箭的示意圖。發(fā)射時,先點燃第一級火箭,燃料用完后,空殼自動脫落,然后下一級火箭開始工作。(1)火箭點火后能加速上升的動力是什么力?(2)要提升運載物的最大速度可采用什么措施?
提示:(1)燃燒產(chǎn)生的氣體高速向下噴出,氣體產(chǎn)生的反作用力推動火箭加速上升。(2)提高氣體噴射速度,增加燃料質(zhì)量,及時脫離前一級火箭空殼。
1.火箭的速度設(shè)火箭在Δt時間內(nèi)噴射燃?xì)獾馁|(zhì)量為Δm,速度為u,噴氣后火箭的質(zhì)量為m,獲得的速度為v,由動量守恒定律得0=mv+Δmu,得v=- u。2.決定因素火箭獲得速度取決于燃?xì)鈬姵鏊俣萿及燃?xì)赓|(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比 兩個因素。
3.多級火箭多級火箭發(fā)射時,較大的第一級火箭燃燒結(jié)束后,便自動脫落,接著第二級、第三級依次工作,燃燒結(jié)束后自動脫落,這樣可以不斷地減小火箭殼體的質(zhì)量,減輕負(fù)擔(dān),使火箭達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用同樣多的燃料的一級火箭所能達(dá)到的速度。目前多級火箭一般都是二級或三級。
【例題2】 一火箭噴氣發(fā)動機(jī)每次噴出m=200 g的氣體,氣體噴出時的速度v=1 000 m/s。設(shè)火箭質(zhì)量M=300 kg,發(fā)動機(jī)每秒鐘噴氣20次。(1)當(dāng)?shù)谌螄姵鰵怏w后,火箭的速度為多大?(2)運動第1 s末,火箭的速度為多大?
答案:(1)2 m/s(2)13.5 m/s
解析:(1)設(shè)噴出三次氣體后火箭的速度為v3,以火箭和噴出的三次氣體為研究對象,根據(jù)動量守恒定律,得(M-3m)v3-3mv=0
(2)以火箭和噴出的20次氣體為研究對象,根據(jù)動量守恒定律,有(M-20m)v20-20mv=0
火箭類問題的三點提醒(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)法予以調(diào)整,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。
【變式訓(xùn)練2】 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(jī)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為v2,則噴出氣體的質(zhì)量m為(　　)
解析:規(guī)定航天器的速度方向為正方向,由動量守恒定律得,
【變式訓(xùn)練3】 “世界上第一個想利用火箭飛行的人”是明朝的士大夫萬戶。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的熾熱燃?xì)庀鄬Φ孛嬉詖0的速度豎直向下噴出。忽略此過程中空氣阻力的影響,重力加速度為g,下列說法正確的是(　　)A.火箭的推力來源于空氣對它的反作用力
D.在火箭噴氣過程中,萬戶及所攜設(shè)備機(jī)械能守恒
解析:火箭的推力來源于燃料燃燒時產(chǎn)生的向后噴出的高溫高壓氣體對火箭的反作用力,故A錯誤;在燃?xì)鈬姵龊蟮乃查g,視萬戶及所攜設(shè)備[火箭(含燃料)、椅子、風(fēng)箏等]為系統(tǒng),動量守恒,設(shè)火箭的速度大小為v,規(guī)定火箭運動方向為正方向,則有(M-m)v-mv0=0,解得火箭的速度大小為
右圖為一條約180 kg的小船漂浮在靜水中,當(dāng)人從船尾走向船頭時,小船也發(fā)生了移動,不計水的阻力。(1)小船發(fā)生移動的動力是什么力?小船向哪個方向運動?(2)當(dāng)人走到船頭相對船靜止時,小船還運動嗎?為什么?(3)當(dāng)人從船尾走到船頭時,有沒有可能出現(xiàn)如圖(a)或如圖(b)的情形?為什么?
提示:(1)摩擦力。向左運動,即與人行進(jìn)的方向相反。(2)不運動。小船和人組成的系統(tǒng)動量守恒,當(dāng)人的速度為零時,船的速度也為零。(3)不可能。由系統(tǒng)動量守恒可知,人和船相對于地面的速度方向一定相反,不可能向同一個方向運動,且人船位移比等于它們質(zhì)量的反比。
1.“人船模型”問題兩個原來靜止的物體發(fā)生相互作用時,若所受外力的矢量和為零,則動量守恒。2.特點(1)兩物體滿足動量守恒定律:m1v1-m2v2=0。(2)運動特點:人動船動,人停船停,人快船快,人慢船慢,人左船右;人船位移比等于它們質(zhì)量的反比;人船平均速度(瞬時速度)比等于它們質(zhì)量的反比,
(3)解題時要畫出各物體的位移關(guān)系草圖,找出各長度間的關(guān)系。(4)適用條件“人船模型”是利用動量守恒求解的一類問題,適用條件是系統(tǒng)由兩個物體組成且相互作用前靜止,系統(tǒng)總動量守恒。
注意問題(1)在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相對運動的過程中至少有一個方向的動量守恒,注意兩物體的位移是相對同一參考系的位移。(2)這一模型還可進(jìn)一步推廣到其他類似的現(xiàn)象中,解決大量的實際問題,例如人沿著靜止在空中的熱氣球下面的軟梯滑下或攀上,求氣球上升或下降高度的問題;小球沿弧形槽滑下,求弧形槽移動距離的問題等。
【例題3】 質(zhì)量為m、半徑為R的小球,放在半徑為2R、質(zhì)量為M的大空心球內(nèi),大球開始靜止在光滑水平面上,如圖所示,當(dāng)小球從圖中所示位置無初速度地沿內(nèi)壁滾到最低點時,大球移動的距離為多大?
解析:小球與大球組成的系統(tǒng)水平方向不受力的作用,系統(tǒng)水平方向動量守恒。因此小球向右滾動,大球向左滾動。在滾動過程中,設(shè)小球向右移動的水平距離為s1,大球向左移動的水平距離為s2,兩者移動的總長度為R。因此有ms1-Ms2=0,而s1+s2=R。
“人船模型”的兩點提醒(1)“人船模型”問題中,兩物體的運動特點是人走船行、人停船停。(2)問題中的“船長”通常應(yīng)理解為“人”相對“船”的相對位移,而在求解過程中應(yīng)討論的是“人”及“船”對地的位移。
【變式訓(xùn)練4】 如圖所示,質(zhì)量為M的斜面小車靜止放在水平面上,質(zhì)量為m的物體從斜面上端無初速度釋放,不計一切摩擦,物體從斜面底端滑出時,
解析:小車和物體水平方向動量守恒,則mv1cs θ=Mv2(θ為斜面傾角),
【變式訓(xùn)練5】 如圖所示,大氣球質(zhì)量為100 kg,載有質(zhì)量為50 kg的人,靜止在空氣中距地面20 m高的地方,氣球下方懸一根質(zhì)量可忽略不計的繩子,此人想從氣球上沿繩慢慢下滑至地面,為了安全到達(dá)地面,則這繩長至少應(yīng)為(可以把人看作質(zhì)點)(　　)A.10 mB.30 mC.40 mD.60 m
解析:人與氣球組成的系統(tǒng)動量守恒,設(shè)人的速度為v1,氣球的速度為v2,運動時間為t。以人與氣球組成的系統(tǒng)為研究對象,以向下為正方向,由動量守
1.(反沖運動的理解)關(guān)于反沖運動的說法正確的是(　　)A.拋出部分的質(zhì)量m1要小于剩下部分的質(zhì)量m2才能獲得反沖B.若拋出部分的質(zhì)量m1大于剩下部分的質(zhì)量m2,則m2的反沖力大于m1所受的力C.反沖運動中,牛頓第三定律適用,但牛頓第二定律不適用D.拋出部分和剩余部分都適用于牛頓第二定律答案:D
解析:由于系統(tǒng)的一部分物體向某一方向運動,而使另一部分向相反方向運動,這種現(xiàn)象叫反沖運動。定義中并沒有確定兩部分物體之間的質(zhì)量關(guān)系,故選項A錯誤。在反沖運動中,兩部分之間的作用力是一對作用力與反作用力,由牛頓第三定律可知,它們大小相等、方向相反,故選項B錯誤。在反沖運動中一部分受到另一部分的作用力產(chǎn)生了該部分的加速度,使該部分的速度逐漸增大,在此過程中對每一部分牛頓第二定律都成立,故選項C錯誤,D正確。
2.(反沖運動的應(yīng)用)下圖是一種彈射裝置,彈丸質(zhì)量為m,底座質(zhì)量為3m,開始時均處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)彈簧釋放將彈丸以相對地面v的速度發(fā)射出去后,底座的反沖速度大小是(　　)
解析:在水平方向上,彈丸和底座組成的系統(tǒng)動量守恒,設(shè)水平向右為正方向,由動量守恒可得3mv'+mv=0,得v'=- ,負(fù)號表示速度方向水平向左,故C正確。
3.(人船問題的遷移)有一只小船停靠在湖邊碼頭,小船又窄又長(估計質(zhì)量在1 t左右)。一位同學(xué)想用一個卷尺粗略測定它的質(zhì)量,他進(jìn)行了如下操作:首先將船平行于碼頭自由停泊,輕輕從船尾上船,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,船的質(zhì)量為(　　)