6.反沖現象火箭新課程標準核心素養目標1.了解反沖的概念及反沖現象的一些應用2．理解反沖現象的原理，能夠應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確定火箭最終速度大小的因素物理觀念理解反沖的概念，了解反沖在實際問題中的應用科學思維會應用動量守恒定律解決相關反沖問題科學看法與責任了解航天技術的發展和宇宙航行，了解中國火箭發展歷程，增加民族驕傲感必備學問·自主學習——突出基礎性素養夯基一、反沖現象1.定義：依據動量守恒定律，一個靜止的物體在________的作用下分裂為兩部分，一部分向某一個方向運動，另一部分必定向________方向運動的現象．2．特點(1)物體的不同部分在________作用下向相反方向運動．(2)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)反沖運動中，由于有________能轉變為動能，所以系統的總動能增加．3．反沖現象的應用及防止(1)應用：農田、園林的噴灌裝置是利用反沖使水從噴口噴出時，一邊噴水，一邊________．(2)防止：用槍射擊時，由于槍身的反沖會影響射擊的________，所以用步槍射擊時要把槍身抵在________，以削減反沖的影響．二、火箭1．工作原理：是利用________運動，火箭燃料燃燒產生的高溫、高壓燃氣從尾噴管快速噴出時，使火箭獲得巨大速度．2．影響火箭獲得速度大小的因素(1)噴氣速度：現代液體燃料火箭的噴氣速度約為2000m/s～5000m/s.(2)質量比：指火箭起飛時的質量與火箭除燃料外的箭體質量之比．噴氣速度________，質量比________，火箭獲得的速度越大．3．現代火箭的主要用途：利用火箭作為________工具，如放射探測儀器、常規彈頭和核彈頭、人造衛星和宇宙飛船等．【思索辨析】推斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“×”．(1)噴氣式飛機的運動屬于反沖運動．()(2)直升機的運動屬于反沖運動．()(3)在反沖現象中，由于有其他形式的能量(如化學能)轉化為動能，所以反沖現象中系統的總動能增大．()(4)火箭靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大速度．()(5)在火箭放射過程中，由于內力遠大于外力，所以動量守恒．()情境思索：(1)把一個氣球吹起來，用手捏住氣球的通氣口(圖甲)，然后突然放開，讓氣體噴出，視察氣球的運動．提示：氣球沿與噴氣相反的方向運動．(2)如圖乙，把彎管裝在可旋轉的盛水容器的下部．當水從彎管流出時，容器旋轉起來．提示：旋轉方向與水噴出的方向相反．關鍵實力·合作探究——突出綜合性素養形成探究點一反沖現象導學探究兩位同學在公園里劃船，當小船離碼頭大約1.5m時，有一位同學心想，自己在體育課上跳遠的成果從未低于2m，跳到岸上肯定沒有問題．于是她縱身一跳，結果卻掉到了水里(如圖所示)，她為什么不能如她所想的那樣跳到岸上呢？探究總結反沖運動的三個特點(1)物體的不同部分在內力作用下向相反方向運動．(2)反沖運動中，相互作用的內力一般狀況下遠大于外力或在某一方向上內力遠大于外力，所以可以用動量守恒定律或在某一方向上應用動量守恒定律來處理．(3)反沖運動中，由于有其他形式的能轉化為機械能，所以系統的總動能增加．典例示范例1下列所描述的事例或應用中，沒有利用反沖原理的是()A．噴灌裝置的自動旋轉B．章魚在水中前行和轉向C．運載火箭放射過程D．碼頭邊輪胎的愛護作用課堂筆記例2(多選)一個連同裝備總質量M＝100kg的航天員，脫離飛船進行太空行走后，在與飛船相距d＝45m的位置與飛船保持相對靜止．所帶氧氣筒中還剩有m0＝0.5kg氧氣，氧氣除了供他呼吸外，還需向與飛船相反方向噴出一部分氧氣以獲得使他回到飛船的反沖速度v′，為此氧氣筒上有可使氧氣以v＝50m/s的速度噴出的噴嘴．依據物理原理：假如一次性噴出氧氣質量為m，噴氣速度為v，則其獲得反沖速度v′＝mvM，已知人的耗氧率為R＝2.5×10－4kg/s(即每秒呼吸消耗氧氣量)．則為保證該航天員平安返回飛船，一次性噴出氧氣質量mA．0.04kgB．0.25kgC．0.35kgD．0.46kg課堂筆記思維方法探討反沖運動應留意的兩個問題(1)速度的反向性：以反沖前的系統為參考系，反沖后，被拋出部分與剩余部分的運動方向必定相反．(2)速度的同系性：一般都轉換為對地速度．針對訓練1某同學為探討反沖運動，設計了如圖所示的裝置，固定有擋光片的小車內表面水平，置于光滑水平面上，擋光片寬為d，小車的左側不遠處有固定的光電門，用質量為m的小球壓縮車內彈簧，并鎖定彈簧，整個裝置處于靜止，解除鎖定，小球被彈射后小車做反沖運動并通過光電門，與光電門連接的計時器記錄擋光片擋光時間為t，小車、彈簧和擋光片的總質量為3m，則小球被彈出小車的瞬間相對于地面的速度大小為()A．dtB．C．3dtD．探究點二火箭導學探究(1)我國在什么時候獨創了火箭？(2)現代火箭與古代火箭有何區分？(3)火箭飛行時能獲得的最大速度與哪些因素有關？(4)如何增大火箭所能達到的最大速度？(5)火箭有哪些主要用途？探究總結火箭的原理(1)火箭是反沖運動的應用，其反沖過程動量守恒．當火箭推動劑燃燒時，從尾部噴出的氣體具有很大的動量，依據動量守恒定律，火箭獲得與之大小相等、方向相反的動量，因而發生連續的反沖現象，隨著推動劑的消耗，火箭的質量漸漸減小，加速度不斷增大，當推動劑燃盡時，火箭以獲得的速度沿著預定的空間軌道飛行．(2)火箭利用了反沖原理，獲得向上的動量，依據動量守恒定律得mΔv＋Δmu＝0，解得Δv＝－Δmmu，其中Δm為火箭在極短時間內噴射燃氣的質量，噴出燃氣相對于噴氣前火箭的速度為u，噴出燃氣后火箭的質量為m，火箭噴氣后速度的增加量為Δ典例示范例3一火箭噴氣發動機每次噴出m＝200g的氣體，氣體離開發動機噴出時的速度v＝1000m/s，設火箭質量M＝300kg，發動機每秒噴氣20次．(1)當第三次氣體噴出后，火箭的速度多大？(2)運動第1s末，火箭的速度多大？課堂筆記針對訓練2如圖所示，某中學航天愛好小組的同學將靜置在地面上的質量為M(含水)的自制“水火箭”釋放升空，在極短的時間內，質量為m的水以相對地面為v0的速度豎直向下噴出．已知重力加速度為g，空氣阻力不計，下列說法正確的是()A．火箭的推力來源于火箭外的空氣對它的反作用力B．水噴出的過程中，火箭和水的機械能守恒C．火箭獲得的最大速度為MvD．火箭上升的最大高度為m學科素養提升?反沖運動中的“人船模型”志向模型如圖所示，長為L、質量為m船的小船停在靜水中，質量為m人的人由靜止起先從船的一端走到船的另一端，不計水的阻力．以人和船組成的系統為探討對象，在人由船的一端走到船的另一端的過程中，系統水平方向不受外力作用，所以整個系統水平方向動量守恒，可得：m船v船＝m人v人，因人和船組成的系統動量始終守恒，故有：m船x船＝m人x人，由圖可看出：x船＋x人＝L，可解得：x人＝m船m人+m船L，素養訓練1．如右圖所示，大氣球質量為100kg，載有質量為50kg的人，靜止在空中距地面20m高的地方，氣球下方懸一根質量可忽視不計的繩子，此人想從氣球上沿繩漸漸下滑至地面，為了平安到達地面，則此繩的長度至少為(不計人的高度，可以把人看作質點)()A．10mB．30mC．40mD．60m2．如圖所示，質量M＝150kg的木船長l＝4m，質量m＝50kg的人站立在船頭，人和船靜止在安靜的水面上．不計水的阻力，現在人要走到船尾取一樣東西，則人從船頭走到船尾過程中，船相對靜水后退的距離為多少？思維方法處理“人船模型”問題的兩點留意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”通常理解為“人”相對“船”的位移．而在求解過程中，應當探討的是“人”及“船”相對地的位移，即相對于同一參考系的位移．課堂檢測·素養提升——突出創新性素養達標1.人靜止于光滑水平冰面上，現欲前進，則可行的方法是()A．向后踢腿B．手臂向后甩C．在冰上滾D．脫去外衣向后擲去2．豎直放射的火箭質量為6×103kg.已知每秒噴出氣體的質量為200kg.若要使火箭獲得20m/s2的向上的加速度，則噴出氣體的速度大小約為()A．700m/sB．800m/sC．900m/sD．1000m/s3.質量為m的人站在質量為M，長為L的靜止小船的右端，小船的左端靠在岸邊．當他向左走到船的左端時，船左端離岸的距離為(忽視水的阻力)()A．LB．LM+mC．MLM+m4．一個連同裝備共100kg的宇航員，在離飛船45m的位置與飛船處于相對靜止的狀態．裝備中有一個高壓氣源，能以50m/s的速度噴出氣體．宇航員為了能在10min時間返回飛船，則他須要在起先返回的瞬間一次性向后噴出的氣體質量是多少？6．反沖現象火箭必備學問·自主學習一、1．內力相反2．(1)內力(3)其他形式3．(1)旋轉(2)精確性肩部二、1．反沖2.(2)越大越大3.運載思索辨析答案：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)√關鍵實力·合作探究探究點一提示：這位同學與船組成的系統在不考慮水的阻力的狀況下，所受合外力為零，在她跳起前后遵循動量守恒定律．在她向前跳起瞬間，船要向后運動．【例1】【解析】A錯：噴灌裝置的自動旋轉是利用了水流噴出時的反沖作用．B錯：章魚在水中前行和轉向是利用了噴出的水的反沖作用．C錯：火箭的運動是利用噴氣的方式獲得動力，利用了反沖原理．D對：碼頭邊的輪胎的作用是延長碰撞時間，從而減小作用力，不是利用反沖原理．【答案】D【例2】【解析】已知M＝100kg，d＝45m，m0＝0.5kg，v＝50m/s，R＝2.5×10－4kg/s，設噴出氧氣的質量為m，返回的時間為t，噴出氧氣后可認為航天員總質量不變．則返回速度v′＝mvM運動的時間t＝d航天員耗氧量：Rt＝m0－m聯立并代入數據得m＝0.05kg或0.45kg，所以0.05kg＜m＜0.45kg.【答案】BC針對訓練1解析：由題可知，小車做反沖運動的速度大小為v1＝dt，由于小車處于光滑水平面上，反沖運動過程系統動量守恒，則3mv1＝mv2，求得v2＝3v1＝3d答案：C探究點二提示：(1)我國早在宋代就獨創了火箭。(2)現代火箭與古代火箭在原理上是相同的，都是運用反沖原理，但在結構上要比古代火箭更先進、更困難．(3)火箭飛行所能取得的最大速度取決于兩個條件：①氣體噴出的速度大小．②火箭殼體的質量與燃料的質量比．(4)為了提高火箭的飛行速度，必需從上面兩方面去考慮：一是提高噴氣速度；二是減小殼體與燃料的質量比．放射人造衛星采納多級火箭，就是為了剛好拋掉用完燃料的箭體，使衛星最終獲得更大的速度．(5)火箭的主要用途是作為運載工具運用，例如放射衛星、飛船等．【例3】【解析】選取整體為探討對象，運用動量守恒定律求解(1)設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探討對象，據動量守恒定律得：(M－3m)v3－3mv＝0所以v3＝3mvM(2)以火箭和噴出的20次氣體為探討對象(M－20m)v20－20mv＝0所以v20＝20mvM【答案】(1)2m/s(2)13.5m/s針對訓練2解析：A錯：火箭的推力來源于向下噴出的水對火箭的反作用力．B錯：水噴出的過程中，火箭內氣體做功，火箭及水的機械能不守恒．C錯：在噴水的極短時間內，火箭和水的重力以及空氣阻力可忽視不計，在豎直方向動量守恒，在水噴出后的瞬間，火箭獲得的速度最大，依據動量守恒定律有(M－m)v－mv0＝0，解得v＝mv0D對：水噴出后，火箭向上做豎直上拋運動，有2gh＝v2，解得h＝m2答案：D學科素養提升素養訓練1．解析：人與氣球組成的系統動量守恒，設人的速度為v1，氣球的速度為v2，運動時間為t，以人與氣球組成的系統為探討對象，以向下為正方向，由動量守恒得：m1v1－m2v2＝0，則m1s人t－m2s氣球t＝0，s氣球＝12s人＝12×20m＝10m，則繩子長度L＝答案：B2．解析：設船移動距離為x，則人移動距離為l－x，以船行方向為正方向，船對地的平均速度為xt，人對地的平均速度為－l由動量守恒定律有Mxt－ml即Mx－m(l－x)＝0解得船移動的距離為x＝mlM+m＝50課堂檢測·素養提升1．解析：因為合外力為零，系統動量守恒，只有拋出一個物體，人才會做反沖運動．答案：D2．解析：內力遠大于重力，可認為火箭和噴出的氣體動量守恒，設每秒噴出氣體的質量為m氣，則m氣v氣＝m箭v箭，由動量定理得火箭獲得的動力F＝m箭