人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE1第6節(jié)反沖現(xiàn)象火箭學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.知道什么是反沖運(yùn)動；知道火箭的工作原理。2.能利用動量守恒定律解釋反沖現(xiàn)象。3.知道人船模型和爆炸類問題都可以看成反沖運(yùn)動問題處理。1.核心素養(yǎng)建立反沖運(yùn)動模型、人船模型的科學(xué)思維。2.關(guān)鍵能力物理建模能力和分析推理能力。一、反沖現(xiàn)象1.反沖(1)實(shí)例分析：發(fā)射炮彈時(shí)，炮彈從炮筒中飛出，炮身則向后退。這種情況由于系統(tǒng)內(nèi)力很大，外力可忽略，射擊前，炮彈靜止在炮筒中，它們的總動量為0。炮彈射出后以很大的速度向前運(yùn)動，根據(jù)動量守恒定律，炮身必將向后運(yùn)動。(2)定義：發(fā)射炮彈時(shí)，炮彈從炮筒中飛出，炮身則向后退。炮身的這種后退運(yùn)動叫作反沖。(3)規(guī)律：反沖現(xiàn)象中，系統(tǒng)內(nèi)力很大，外力可忽略，滿足動量守恒定律。2.反沖現(xiàn)象的防止及應(yīng)用(1)防止：用槍射擊時(shí)，由于槍身的反沖會影響射擊的準(zhǔn)確性，所以用槍射擊時(shí)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(shí)，一邊噴水一邊旋轉(zhuǎn)?！甲鲆蛔觥?多選)(2020·陜西高二期末)下列屬于反沖運(yùn)動的是()A.噴氣式飛機(jī)的運(yùn)動 B.物體做自由落體的運(yùn)動C.火箭的運(yùn)動 D.發(fā)射炮彈后，炮筒后退〖答案〗ACD〖解析〗噴氣式飛機(jī)是利用飛機(jī)與氣體間的相互作用而促進(jìn)飛機(jī)前進(jìn)的，故屬于反沖運(yùn)動，A正確；物體的初速度為零，并且只在重力作用下的運(yùn)動即為自由落體運(yùn)動，與反沖運(yùn)動無關(guān)，故B錯(cuò)誤；火箭的運(yùn)動是利用噴氣的方式而獲得動力，利用了反沖運(yùn)動，故C正確；發(fā)射炮彈后，炮筒后退，屬于反沖運(yùn)動，故D正確。二、火箭1.工作原理：應(yīng)用了反沖的原理，火箭靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度。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為2000～5000m/s。(2)質(zhì)量比：火箭起飛時(shí)的質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(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。(3)火箭獲得的速度大?。害＝－eq\f(Δm,m)u，式中Δm為Δt時(shí)間內(nèi)噴射燃?xì)獾馁|(zhì)量，m為噴出燃?xì)夂蠡鸺馁|(zhì)量，u為噴出的燃?xì)庀鄬姎馇盎鸺乃俣取！寂幸慌小?1)火箭點(diǎn)火后離開地面加速向上運(yùn)動，是地面對火箭的反作用力作用的結(jié)果。(×)(2)在沒有空氣的宇宙空間，火箭仍可加速前行。(√)(3)火箭獲得的速度僅與噴氣的速度有關(guān)。(×)探究1反沖運(yùn)動的理解和應(yīng)用■情境導(dǎo)入點(diǎn)燃“起火”的藥捻，“起火”向下噴出氣體，同時(shí)“起火”飛向高空。結(jié)合該實(shí)例，回答下列問題：(1)反沖運(yùn)動的物體受力有什么特點(diǎn)？(2)反沖運(yùn)動過程中系統(tǒng)的能量、機(jī)械能有什么變化？〖答案〗(1)物體的不同部分受方向相反的作用力，在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動。(2)反沖運(yùn)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(yùn)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?！鰵w納拓展1.反沖運(yùn)動的三個(gè)特點(diǎn)(1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動。(2)反沖運(yùn)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(yùn)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。2.應(yīng)注意的兩個(gè)問題(1)速度的方向性：對于原來靜止的整體，可任意規(guī)定某一部分的運(yùn)動方向?yàn)檎较颍瑒t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，若已知相互作用的兩物體的相對速度，應(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成相對地面的速度，再根據(jù)動量守恒定律列方程。〖例1〗如圖所示，自行火炮連同炮彈的總質(zhì)量為M，當(dāng)炮管水平，火炮車在水平路面上以v1的速度向右勻速行駛中，發(fā)射一枚質(zhì)量為m的炮彈后，自行火炮的速度變?yōu)関2，仍向右行駛。則炮彈相對炮筒的發(fā)射速度v0為()A.eq\f(m（v1－v2）＋mv2,m) B.eq\f(M（v1－v2）,m)C.eq\f(M（v1－v2）＋2mv2,m) D.eq\f(M（v1－v2）－m（v1－v2）,m)〖答案〗B〖解析〗自行火炮水平勻速行駛時(shí)，牽引力與阻力平衡，系統(tǒng)動量守恒。設(shè)水平向右的方向?yàn)檎较?，發(fā)射前系統(tǒng)動量之和為Mv1，發(fā)射后系統(tǒng)的動量之和為(M－m)v2＋m(v2＋v0)，由Mv1＝(M－m)v2＋m(v2＋v0)，解得v0＝eq\f(Mv1－（M－m）v2,m)－v2＝eq\f(M（v1－v2）,m)。故B正確。〖針對訓(xùn)練1〗某學(xué)習(xí)小組在探究反沖現(xiàn)象時(shí)，將質(zhì)量為m1的一個(gè)小液化氣瓶固定在質(zhì)量為m2的小玩具船上，利用液化氣瓶向外噴射氣體作為船的動力?，F(xiàn)在整個(gè)裝置靜止放在平靜的水面上，已知打開瓶后向外噴射氣體的對地速度為v1，如果在Δt的時(shí)間內(nèi)向后噴射的氣體的質(zhì)量為Δm，忽略水的阻力，則噴射出質(zhì)量為Δm的氣體后，小船的速度是()A.eq\f(Δmv1,m1＋m2－Δm) B.eq\f(Δmv1,m1＋m2)C.eq\f(Δmv1,m1－Δm) D.eq\f(Δmv1,m2－Δm)〖答案〗A〖解析〗由動量守恒定律得(m1＋m2－Δm)v船－Δmv1＝0，解得v船＝eq\f(Δmv1,m1＋m2－Δm)。故選項(xiàng)A正確。探究2火箭發(fā)射問題1.研究對象的選取和方法選擇選取火箭本身和在相互作用的時(shí)間內(nèi)噴出的全部氣體為研究對象，取相互作用的整個(gè)過程為研究過程，運(yùn)用動量守恒的觀點(diǎn)解決問題。2.火箭獲得最大速度火箭燃料燃盡時(shí)火箭獲得的最大速度由噴氣速度v和質(zhì)量比eq\f(M,m)(火箭起飛時(shí)的質(zhì)量與火箭除燃料外的箭體質(zhì)量之比)兩個(gè)因素決定?！祭?〗一火箭噴氣發(fā)動機(jī)每次噴出m＝200g的氣體，氣體離開發(fā)動機(jī)噴出時(shí)的速度v＝1000m/s。設(shè)火箭質(zhì)量M＝300kg，發(fā)動機(jī)每秒鐘噴氣20次。(1)當(dāng)?shù)谌螄姵鰵怏w后，火箭的速度多大？(2)運(yùn)動第1s末，火箭的速度多大？〖答案〗(1)2m/s(2)13.5m/s〖解析〗(1)選取整體為研究對象，運(yùn)用動量守恒定律求解。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，據(jù)動量守恒定律得(M－3m)v3－3mv＝0v3＝eq\f(3mv,M－3m)＝2m/s。(2)發(fā)動機(jī)每秒鐘噴氣20次，以火箭和噴出的20次氣體為研究對象，根據(jù)動量守恒定律得(M－20m)v20－20mv＝0v20＝eq\f(20mv,M－20m)＝13.5m/s。探究3“人船模型”問題1.適用條件系統(tǒng)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)，在系統(tǒng)中物體發(fā)生相對運(yùn)動的過程中，動量守恒或某一個(gè)方向動量守恒。其實(shí)質(zhì)就是初速度為0的系統(tǒng)中物體所做的反沖運(yùn)動，系統(tǒng)滿足某方向上的平均動量守恒。2.模型特點(diǎn)(1)如圖所示。(2)兩物體的位移滿足x人＋x船＝L遵從動量守恒定律，有meq\f(x人,t)－Meq\f(x船,t)＝0，即x人＝eq\f(M,M＋m)L，x船＝eq\f(m,M＋m)L位移大小之比滿足x人∶x船＝M∶m，即兩物體的位移大小之比等于兩物體質(zhì)量的反比。3.重要推論(1)“人”走“船”走，“人”?！按蓖?。(2)x人＝eq\f(M,M＋m)L，x船＝eq\f(m,M＋m)L，即x人、x船大小與人運(yùn)動時(shí)間和運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。(3)eq\f(x人,x船)＝eq\f(M,m)，人、船的位移(在系統(tǒng)滿足動量守恒的方向上的位移)與質(zhì)量成反比?！祭?〗有一條捕魚小船?？吭诤叴a頭，小船又窄又長，一位同學(xué)想用一個(gè)卷尺粗略測定它的質(zhì)量，他進(jìn)行了如下操作：首先將船平行碼頭自由停泊，然后他輕輕從船尾上船，走到船頭后停下，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(如圖所示)。已知他自身的質(zhì)量為m，則漁船的質(zhì)量為()A.eq\f(m（L＋d）,d) B.eq\f(m（L－d）,d)C.eq\f(mL,d) D.eq\f(m（L＋d）,L)〖答案〗B〖解析〗設(shè)人走動時(shí)船的速度大小為v，人的速度大小為v′，人從船尾走到船頭所用時(shí)間為t，取船的運(yùn)動方向?yàn)檎较?，則v＝eq\f(d,t)，v′＝eq\f(L－d,t)，根據(jù)動量守恒定律得Mv－mv′＝0，解得船的質(zhì)量M＝eq\f(m（L－d）,d)，故選項(xiàng)B正確。〖針對訓(xùn)練2〗如圖所示，在一只大氣球下方的長繩上，有一個(gè)質(zhì)量為m1＝50kg的人。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(dāng)靜止時(shí)人離地面的高度為h＝5m。如果這個(gè)人開始沿繩向下滑，當(dāng)他滑到繩下端時(shí)，他離地面的高度約(可以把人看成質(zhì)點(diǎn))()A.5m B.3.6mC.2.6m D.8m〖答案〗B〖解析〗設(shè)人的速度大小為v1，氣球的速度大小為v2，根據(jù)人和氣球組成的系統(tǒng)動量守恒得m1v1＝m2v2，所以v1＝eq\f(2,5)v2，氣球和人運(yùn)動的路程之和為h＝5m，則s1＝eq\f(10,7)m，s2＝eq\f(25,7)m，即人下滑eq\f(10,7)m，氣球上升eq\f(25,7)m，所以人離地高度為eq\f(25,7)m，約等于3.6m。故選項(xiàng)B正確?！碱}目示例如圖所示，在光滑水平面上，有一質(zhì)量為M的靜止平板車，其上有質(zhì)量皆為m的甲、乙兩人，兩人都相對地以速度v向后跳下，試求下列情況下車速大?。?1)甲、乙兩人同時(shí)跳下；(2)甲先跳，乙后跳。〖模型分析反沖模型無阻力情況下，人與車(船)組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒，人的動量與車的動量等大反向。兩個(gè)質(zhì)量均為m的人以對地速度v同時(shí)跳出，人的動量為2mv，車獲得的動量大小也是2mv；兩個(gè)質(zhì)量均為m的人先后以對地速度v水平跳出，人的動量同樣為2mv，車獲得的動量大小也是2mv，“先后跳”與“同時(shí)跳”效果相同；若選擇車為參考系，人相對地的動量與人相對運(yùn)動的車的動量顯然不同，第一個(gè)人相對車的動量與第二個(gè)人相對車的動量也不同，此情況下“先后跳”與“同時(shí)跳”效果是不同的?！际纠獯稹即鸢浮揭姟冀馕觥健冀馕觥?1)車與兩人組成的系統(tǒng)，水平方向上不受外力，滿足動量守恒定律的適用條件。取人跳的速度方向?yàn)檎较?。設(shè)兩人同時(shí)跳下時(shí)，車對地速度為v1，由動量守恒定律得0＝2mv＋Mv1①v1＝－eq\f(2mv,M)負(fù)號表示車與人跳的速度方向相反。(2)設(shè)甲先跳下時(shí)，乙跟車對地的共同速度為v2，乙再跳下時(shí)，車對地的速度為v3，由動量守恒定律得甲先跳下時(shí)：0＝mv＋(M＋m)v2②乙再跳下時(shí)：(M＋m)v2＝mv＋Mv3③解②③式得：v3＝－eq\f(2mv,M)比較v1、v3，知v1＝v3，即甲、乙兩人“先后跳下”與“同時(shí)跳下”效果相同?！妓季S感悟在應(yīng)用動量守恒定律解題時(shí)，常遇到多個(gè)物體的相互作用，這多個(gè)物體的作用可能是同時(shí)作用一次完成的，也可能是作用有先有后，分段完成的。人跳出時(shí)的水平速度選擇地面，“先后作用”與“同時(shí)作用”是等效的。可以把“先后作用”的問題視為“同時(shí)作用”一次完成的情況來研究，把分過程需列的多個(gè)動量守恒方程簡化為只列一個(gè)方程就可求解，使求解過程大為簡化。1.(反沖運(yùn)動的理解和應(yīng)用)一質(zhì)量為M的煙花斜飛到空中，到最高點(diǎn)時(shí)速度為v，此時(shí)煙花炸裂成兩塊(損失的炸藥質(zhì)量不計(jì))，炸裂成的兩塊速度沿水平相反方向，落地時(shí)水平位移大小相等，不計(jì)空氣阻力，若向前一塊的質(zhì)量為m，則向前一塊的速度大小為()A.eq\f(M,2m－M)v B.eq\f(M,M－m)vC.eq\f(2M,2M－m)v D.eq\f(2M,2m－M)v〖答案〗A〖解析〗由題意知在爆炸的短時(shí)間內(nèi)，煙花所受的重力遠(yuǎn)小于內(nèi)部爆炸力，故系統(tǒng)動量守恒，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)速度沿水平方向，大小為v，設(shè)初速度方向?yàn)檎较?，向前一塊的速度大小為v1，向后一塊速度大小為v2，故有Mv＝mv1－(M－m)v2，又因?yàn)楸ê髢蓧K均做平拋運(yùn)動，落地時(shí)水平位移大小相等，故根據(jù)平拋運(yùn)動規(guī)律可知v1＝v2，故聯(lián)立兩式可解得v1＝v2＝eq\f(M,2m－M)v，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。2.(火箭的發(fā)射問題)運(yùn)送人造地球衛(wèi)星的火箭開始工作后，火箭做加速運(yùn)動的原因是()A.燃料推動空氣，空氣的反作用力推動火箭B.火箭發(fā)動機(jī)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，加熱周圍空氣，空氣膨脹推動火箭〖答案〗B〖解析〗火箭的工作原理是利用反沖運(yùn)動，是火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)鈴奈矅姽苎杆賴姵鰰r(shí)使火箭獲得反沖速度，故選項(xiàng)B正確。3.(人船模型問題)(多選)(2021·黑龍江大慶中學(xué)開學(xué)考)某人站在靜浮于水面的船上，從某時(shí)刻開始人從船頭走向船尾，若不計(jì)水的阻力，那么在這段時(shí)間內(nèi)人和船的運(yùn)動情況是()A.人勻速行走，船勻速后退，兩者速度大小與它們的質(zhì)量成反比B.人加速行走，船加速后退，而且加速度大小與它們的質(zhì)量成反比C.人走走停停，船退退停停，兩者動量總和總是為零D.當(dāng)人在船尾停止運(yùn)動后，船由于慣性還會繼續(xù)后退一段距離〖答案〗ABC〖解析〗人和船組成的系統(tǒng)動