高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊6 反沖現(xiàn)象 火箭背景圖課件ppt

這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊6 反沖現(xiàn)象 火箭背景圖課件ppt，共51頁。PPT課件主要包含了課前·基礎(chǔ)認(rèn)知，課堂·重難突破，素養(yǎng)·目標(biāo)定位，隨堂訓(xùn)練，知識概覽，一反沖運(yùn)動的理解，二火箭原理，答案D，三人船模型，答案B等內(nèi)容，歡迎下載使用。
目 標(biāo) 素 養(yǎng)1.了解反沖運(yùn)動及反沖運(yùn)動的典型事例,形成正確的物理觀念。2.能夠應(yīng)用動量守恒定律分析反沖運(yùn)動問題,培養(yǎng)科學(xué)思維能力。3.知道火箭的飛行原理及決定火箭最終速度大小的因素,了解我國航天技術(shù)的發(fā)展,發(fā)掘?qū)W生探索新知識的潛能。
一、反沖現(xiàn)象1.概念:根據(jù)動量守恒定律,一個(gè)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(gè)方向運(yùn)動,另一部分必然向相反的方向運(yùn)動的現(xiàn)象。2.反沖現(xiàn)象的應(yīng)用及防止。(1)應(yīng)用:農(nóng)田、園林的噴灌裝置是利用反沖使水從噴口噴出時(shí),一邊噴水一邊旋轉(zhuǎn)。(2)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,所以用步槍射擊時(shí)要把槍身抵在肩部,以減小反沖的影響。
微判斷1.反沖運(yùn)動可以用動量守恒定律來處理。(　　)2.一切反沖現(xiàn)象都是有益的。(　　)3.烏賊的運(yùn)動利用了反沖的原理。(　　)
二、火箭1.工作原理:噴氣式飛機(jī)和火箭的飛行應(yīng)用了反沖的原理,它們都靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度。2.構(gòu)造:主要有兩大部分——箭體和燃料。3.特點(diǎn):箭體和噴出的燃料氣體滿足動量守恒定律。4.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通常在2 000~5 000 m/s。(2)質(zhì)量比:火箭噴出物質(zhì)的質(zhì)量與火箭本身質(zhì)量之比。噴氣速度越大,質(zhì)量比越大,火箭獲得的速度越大。
微思考螺旋槳飛機(jī)能在月球上正常飛行嗎?為什么?提示:不能。螺旋槳飛機(jī)靠旋轉(zhuǎn)的螺旋槳與空氣的相互作用而獲得動力,不能在真空環(huán)境中飛行。
重難歸納1.反沖運(yùn)動的特點(diǎn)和規(guī)律。(1)物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動,一般情況下,系統(tǒng)動量守恒,或系統(tǒng)在某一方向上動量守恒。(2)物體間發(fā)生相互作用時(shí),有其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,所以系統(tǒng)的總動能增加,作用力和反作用力一般都做正功。
2.處理反沖運(yùn)動應(yīng)注意的問題。(1)速度的方向。對于原來靜止的整體,拋出部分與剩余部分的運(yùn)動方向必然相反,在列動量守恒方程時(shí),可任意規(guī)定某一部分的運(yùn)動方向?yàn)檎较?則反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值。(2)相對速度問題。在反沖運(yùn)動中,有時(shí)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(yùn)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(shí)必須取火箭本身和在相互作用的短時(shí)間內(nèi)噴出的所有氣體為研究對象,取相互作用的這個(gè)過程為研究過程來進(jìn)行研究。
某次太空實(shí)驗(yàn)中,宇航員正在艙外活動,假設(shè)移動裝置中的氣體能以50 m/s的速度噴出,宇航員連同裝備共100 kg,開始時(shí)宇航員和飛船保持相對靜止,相互之間的距離為7.5 m,宇航員必須在100 s內(nèi)到達(dá)飛船,則噴出氣體的質(zhì)量至少為多少?
提示:噴出氣體的質(zhì)量至少為0.15 kg。設(shè)宇航員反沖獲得的速度為u,則 ,設(shè)噴出氣體的質(zhì)量為m,宇航員連同裝備的質(zhì)量為m',噴出氣體的過程系統(tǒng)動量守恒,以氣體的速度方向?yàn)檎较?由動量守恒定律得mv-(m'-m)u=0,解得m=0.15 kg。
典例剖析【例1】 反沖小車靜止放在水平光滑玻璃上,點(diǎn)燃酒精,水蒸氣將橡皮塞水平噴出,小車沿相反方向運(yùn)動。小車的總質(zhì)量m車=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(shí)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(shí)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(yùn)動)答案:(1)0.1 m/s,方向與橡皮塞運(yùn)動的方向相反(2)0.05 m/s,方向與橡皮塞在水平方向的分運(yùn)動的方向相反
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(yùn)動的方向?yàn)檎较?根據(jù)動量守恒定律有mv+(m車-m)v'=0
負(fù)號表示小車運(yùn)動方向與橡皮塞運(yùn)動的方向相反,反沖速度大小是0.1 m/s。
(2)小車和橡皮塞組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒,以橡皮塞在水平方向的分運(yùn)動的方向?yàn)檎较?有mvcs 60°+(m車-m)v″=0
負(fù)號表示小車運(yùn)動方向與橡皮塞在水平方向的分運(yùn)動的方向相反,反沖速度大小是0.05 m/s。
規(guī)律總結(jié)反沖運(yùn)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)力遠(yuǎn)大于外力,所以反沖運(yùn)動可用動量守恒定律來處理。
學(xué)以致用1.某校課外科技小組制作了一只“水火箭”,用壓縮空氣壓出水流使火箭運(yùn)動。假如噴出的水流流量保持為2×10-4 m3/s,噴出速度保持水平且對地為10 m/s。啟動前火箭總質(zhì)量為1.4 kg,則啟動2 s末火箭的速度可以達(dá)到多少?已知火箭沿水平軌道運(yùn)動,阻力不計(jì),水的密度是103 kg/m3。答案:4 m/s
解析:“水火箭”噴出水流做反沖運(yùn)動,設(shè)火箭原來總質(zhì)量為m,噴出水流的流量為Q,水的密度為ρ,水流的噴出速度為v,火箭的反沖速度為v',由動量守恒定律得(m-ρQt)v'=ρQtv火箭啟動后2 s末的速度為
重難歸納1.工作原理?；鸺抢昧朔礇_原理,發(fā)射火箭時(shí),尾管中噴射出的高速氣體有動量,根據(jù)動量守恒定律,火箭就獲得向上的動量,從而向上飛去。即mΔv+Δmu=0
2.分析火箭類問題應(yīng)注意的地方。(1)火箭在運(yùn)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(shí),必須取在同一相互作用時(shí)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)的速度的參考系是不是同一參考系,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)換成對地速度。(3)列方程時(shí)要注意初、末狀態(tài)動量的方向。噴出氣體速度的方向與原氣體的運(yùn)動方向是相反的。
我國宋代就發(fā)明了火箭(如圖甲),火箭上扎一個(gè)火藥筒,火藥筒的前端是封閉的,火藥點(diǎn)燃后火箭由于反沖向前運(yùn)動?，F(xiàn)代火箭原理與古代火箭相同(如圖乙),你知道我國長征號系列火箭是怎樣先后將神舟號系列載人飛船送上太空的嗎?
提示:火箭靠噴射高溫高壓燃?xì)猥@得反作用力,將神舟系列飛船送入太空。
典例剖析【例2】一火箭噴氣發(fā)動機(jī)每次噴出m=200 g的氣體,氣體離開發(fā)動機(jī)噴出時(shí)的速度v=1 000 m/s。設(shè)火箭質(zhì)量m火=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,火箭的速度多大?(2)運(yùn)動第1 s末,火箭的速度多大?答案:(1)2.0 m/s　(2)13.5 m/s
規(guī)律總結(jié)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(shí)要注意初、末狀態(tài)動量的方向,一般而言,反沖后兩物體的運(yùn)動方向是相反的。
學(xué)以致用2.一枚火箭搭載著衛(wèi)星以速率v0進(jìn)入太空預(yù)定位置,由控制系統(tǒng)使箭體與衛(wèi)星分離。已知前部分的衛(wèi)星質(zhì)量為m1,后部分的箭體質(zhì)量為m2,分離后箭體以速率v2沿火箭原方向飛行,若忽略分離前后系統(tǒng)質(zhì)量的變化,則分離后衛(wèi)星的速率v1為(　　)
解析:根據(jù)動量守恒定律,得(m1+m2)v0=m1v1+m2v2,v1=v0+ (v0-v2),選項(xiàng)D正確。
重難歸納1.“人船模型”問題的特征:兩個(gè)原來靜止的物體發(fā)生相互作用時(shí),若所受外力的矢量和為零,則動量守恒;在相互作用的過程中,任一時(shí)刻兩物體的速度大小之比等于質(zhì)量的反比。這樣的問題歸為“人船模型”問題。
2.處理“人船模型”問題的關(guān)鍵。(1)利用動量守恒定律,確定兩物體速度關(guān)系,再確定兩物體通過的位移的關(guān)系。
(2)解題時(shí)要畫出各物體的位移關(guān)系草圖,找出它們相對地面的位移關(guān)系。
3.適用條件?！叭舜Ｐ汀笔抢闷骄鶆恿渴睾闱蠼獾囊活悊栴}。(1)系統(tǒng)由兩個(gè)物體組成且相互作用前靜止,系統(tǒng)總動量為零。(2)在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相對運(yùn)動的過程中至少有一個(gè)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。
4.“人船模型”的推論。(1)運(yùn)動特點(diǎn):人動船動,人停船停,人快船快,人慢船慢,人左船右。
如圖所示,有一只船?？吭诤叴a頭,船又窄又長,估計(jì)重一噸左右。一人(示意圖)想粗略測定它的質(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(jì)。
探究1:從人開始在船上走動直到下船的過程中,人和船組成的系統(tǒng)動量是否守恒?探究2:人和船的任一時(shí)刻的速度大小滿足怎樣的關(guān)系?探究3:此人能測出船的質(zhì)量m0嗎?(用題目中字母表示)
提示:探究1:水的阻力不計(jì),人和船組成的系統(tǒng)所受合外力為零,系統(tǒng)動量守恒。探究2:設(shè)任一時(shí)刻船和人的速度大小分別為v船和v人,根據(jù)動量守恒定律得m0v船=mv人。
典例剖析【例3】 有一艘質(zhì)量為m'=120 kg的船停在靜水中,船長l=3 m,船上一個(gè)質(zhì)量為m=60 kg的人從船頭走到船尾。不計(jì)水的阻力,則船在水中移動的距離為(　　)A.0.5 mB.1 mC.2 mD.3 m答案:B
規(guī)律總結(jié)處理“人船模型”問題的關(guān)鍵1.利用動量守恒,確定兩物體速度關(guān)系,再確定兩物體通過的位移的關(guān)系。 2.解題時(shí)要畫出各物體的位移關(guān)系草圖,找出各長度間的關(guān)系。
學(xué)以致用3.如圖所示,質(zhì)量為m,半徑為r的小球,放在內(nèi)半徑為R,質(zhì)量m'=3m的大空心球內(nèi),大球開始靜止在光滑水平面上,求當(dāng)小球由圖中位置無初速度釋放沿內(nèi)壁滾到最低點(diǎn)時(shí),大球移動的距離。
解析:由于水平面光滑,系統(tǒng)水平方向上動量守恒,設(shè)同一時(shí)刻小球的水平速度大小為v1,大球的水平速度大小為v2,由水平方向動量守恒有mv1=m'v2,
設(shè)小球到達(dá)最低點(diǎn)時(shí),小球的水平位移為x1,大球的水平位移為x2,
1.(多選)以下敘述的現(xiàn)象利用了反沖現(xiàn)象的有(　　)A.火箭噴氣升空　　B.籃球觸地反彈C.烏賊噴水快速退游D.潛水艇排水浮出答案:AC解析:火箭噴氣升空和烏賊通過噴水快速退游是利用了反沖原理;籃球觸地反彈是地面對球有作用力,不屬于反沖;潛水艇排水浮出是利用浮力,也不屬于反沖。故選項(xiàng)A、C正確,B、D錯(cuò)誤。
2.手持鐵球的跳遠(yuǎn)運(yùn)動員起跳后,欲提高跳遠(yuǎn)成績,可在運(yùn)動到最高點(diǎn)時(shí),將手中的鐵球(　　)A.豎直向上拋出B.向前方拋出C.向后方拋出D.向左方拋出答案:C解析:欲提高跳遠(yuǎn)成績,則應(yīng)增大水平速度,即增大水平方向的動量,所以可將鐵球向后拋出,人和鐵球的總動量守恒,因?yàn)殍F球的動量向后,所以人向前的動量增加。
3.(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.使噴出的氣體速度更大B.減輕飛機(jī)自身質(zhì)量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:ABC
解析:把噴氣式飛機(jī)和噴出的氣體看成系統(tǒng),設(shè)原來的總質(zhì)量為m',噴出的氣體質(zhì)量為m,速度是v,剩余質(zhì)量的速度是v',規(guī)定飛機(jī)的速度方向?yàn)檎较?由系統(tǒng)動量守恒得出mv-(m'-m) v'=0,解得 ,由上式可知m越大,v越大,m'越小,則v'越大,故選項(xiàng)A、B、C正確,D錯(cuò)誤。
4.一個(gè)質(zhì)量為m',底邊長為b的三角形斜劈靜止于光滑水平面上,有一個(gè)質(zhì)量為m的小球由斜面頂部無初速度滑到底部時(shí),斜劈移動的距離是(　　)
解析:小球和斜劈系統(tǒng)水平方向動量守恒,設(shè)斜劈移動x,則m'x=m(b-x),解得 ,故選項(xiàng)B正確。
5.某人在一只靜止的小船上練習(xí)射擊,船、人連同槍(不包括子彈)及靶的總質(zhì)量為m',槍內(nèi)有n顆子彈,每顆子彈的質(zhì)量為m,子彈水平射出槍口相對于地的速度為v0,子彈打入靶中且留在靶里。在射完n顆子彈后,小船的最終速度為(　　)
解析:以船、人連同槍、靶以及槍內(nèi)n顆子彈組成的系統(tǒng)為研究的對象,水平方向上動量守恒。以子彈的初速度方向?yàn)檎较?射擊前系統(tǒng)的總動量為0,由動量守恒定律可知,子彈射入靶中后系統(tǒng)的總動量也為零,所以小船的最終速度為0,選項(xiàng)A正確。
6.如圖所示,大氣球質(zhì)量為25 kg,載有質(zhì)量為50 kg的人(示意圖),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(jì)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,則這繩子至少有多長?(不計(jì)人的高度,可以把人看作質(zhì)點(diǎn))