資源簡介

(共42張PPT)
6. 反沖現象 火箭
人教版（2019）物理（選擇性必修 第一冊）
第一章 動量守恒定律
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.通過實驗認識反沖運動，能舉出反沖運動的實例，知道火箭的發射式反沖現象
2.能結合動量守恒定律對常見的反沖現象作出解釋
3.了解我國航天事業的巨大成就，增強對我國科學技術發展的自信
你知道章魚、烏賊怎樣游水嗎？
它們先把水吸入體腔，然后用力壓水，通過身體前面的孔將水噴出，使身體很快地運動。章魚能夠調整自己的噴水口的方向，這樣可以使得身體向任意方向前進。
你認為章魚游水時應用了什么物理原理嗎？如何解釋呢？
思考
視頻演示：烏賊游水
正確教育
反沖現象
發射炮彈時，炮彈從炮筒中飛出，炮身則向后退。這種情況由于系統內力很大，外力可忽略，可用動量守恒定律來解釋。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動，根據動量守恒定律，炮身必將向后運動。只是由于炮身的質量遠大于炮彈的質量，所以炮身向后的速度很小。炮身的這種后退運動叫作反沖(recoil)。
1.反沖現象:系統在內力作用下，當一部分向某一方向運動時，剩余部分沿相反方向運動的現象。
2.反沖原理
反沖運動的基本原理是動量守恒定律，如果系統的一部分獲得了某一方向的動量，系統的其他部分就會在這一方向的反方向上獲得同樣大小的動量．
3.公式
若系統的初始動量為零，則動量守恒定律的形式變為0＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反沖運動的兩部分的動量大小相等、方向相反，而它們的速率與質量成反比．
（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，一般都滿足內力>>外力，所以反沖運動可用動量守恒定律來處理。
（3）反沖中，由于有其他形式的能轉化為動能，所以系統的總動能增加。
4.特點
5. 應用
在實際中常常需要考慮反沖現象的影響。用槍射擊時子彈向前飛去，槍身發生反沖向后運動。槍身的反沖會影響射擊的準確性，所以用步槍射擊時要把槍身抵在肩部以減少反沖的影響。
實際生產、生活中應用反沖現象的例子也很多，例如，農田、園林的噴灌裝置能夠一邊噴水一邊旋轉，這是因為噴口的朝向略有偏斜，水從噴口噴出時，噴管因反沖而旋轉。這樣可以自動改變噴水的方向。
噴灌裝置
中國新型履帶式自行榴彈炮炮車的履帶表面有較深的突起抓地鉤型設計是為了增大摩擦力，止退犁和兩個液壓緩沖器，都是為了在火炮連射時起到“止退”的作用，提高命中精度而精心設計的。
海上沖水是利用反沖原理設計的一種游玩項目
把一個氣球吹起來，用手捏住氣球的通氣口，然后突然放開，讓氣體噴出，觀察氣球的運動。
現象：通過實驗發現，氣球口朝下，氣球往上飛，氣球口朝上，氣球往下飛。
思考：如何解釋剛才的現象呢？
氣球向一個方向噴氣時，就會受到一個相反方向的力，而向相反方向運動，這是反沖現象。
思考：氣球噴氣會受到一個相反方向力的作用向相反方向運動，如果噴出的不是氣，而是液體像水，會怎樣呢？
把一個氣球吹起來，用手捏住氣球的通氣口，然后突然放開，讓氣體噴出，觀察氣球的運動。
如圖1.6-2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就旋轉起來。
視頻演示：反沖現象
反沖現象的本質
系統機械能不守恒、系統動量守恒。
討論反沖運動應注意的兩個問題
(1)速度的反向性
對于原來靜止的物體，被拋出部分具有速度時，剩余部分的運動方向與被拋出部分必然相反。
(2)速度的相對性。一般都指對地速度。
正確教育
火箭
現代火箭較古代火箭結構復雜得多，現代火箭主要由殼體和燃料組成，殼體是圓筒形的，前端是封閉的尖端，后端有尾噴管，燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣從尾噴管迅速噴出，火箭就向前飛去。
現代的火箭
我國宋代就發明了火箭，火箭上扎一個火藥筒，火藥筒的前端是封閉的，火藥點燃后火箭由于反沖向前運動。
三級火箭
根據 v= ( －1)v1
火箭的最終速度主要取決于兩個條件：
一是噴氣速度；
二是質量比，即火箭開始飛行時的質量與燃料燃盡時的質量之比.
我國采用多級火箭方案,逐級減輕火箭本身質量，提高火箭速度.
如圖所示為多級火箭結構示意圖，發射時先點燃第一級火箭，燃料用完后，空殼自動脫落，然后下級火箭開始工作，多級火箭能及時把空殼拋掉，使總質量減少，從而達到很高的速度。若某三級火箭的運載物質量為M，每一級火箭的燃料及空殼質量為m，燃料相對運載物速率為v0，求：
(1)若三級火箭一次把燃料噴完，運載物獲得的速度大小；
若三級火箭一次把燃料噴完，運載物獲得速度為v。
由動量守恒定律得：Mv＋3m(－v0＋v)＝0得
(2)若三級火箭逐漸向后噴氣，運載物最終獲得的速度大小；
若三級火箭逐漸向后噴氣，運載物獲得的速度依次為v1、v2、v3，由動量守恒定律得：第一級火箭噴完時：
(3)試通過計算說明：火箭不是一次把燃氣噴完而是逐漸向后噴氣以獲得更大反沖速度的道理。
答案　見解析
所以v3>v，即分次噴出時可使火箭獲得更大速度。
多級火箭發射時，較大的第一級火箭燃燒結束后，便自動脫落，接著第二級、第三級依次工作，燃燒結束后自動脫落，這樣可以不斷地減小火箭殼體的質量，減輕負擔．目前多級火箭一般都是三級火箭，因為三級火箭能達到目前發射人造衛星的需求．而且級數越多，結構越復雜，并難以控制。
由于受重力的影響，單級火箭達不到發射人造地球衛星所需要的7.9 km/s，實際火箭為多級。
多級火箭發射時，較大的第一級火箭燃燒結束后，便自動脫落，接著第二級、第三級依次工作，燃燒結束后自動脫落，這樣可以不斷地減小火箭殼體的質量，減輕負擔，使火箭達到遠遠超過使用同樣多的燃料的一級火箭所能達到的速度。目前多級火箭一般都是三級火箭，因為三級火箭能達到目前發射人造衛星的需求。
1.火箭的級數不是越多越好。級數越多，構造越復雜，工作的可靠性和安全性就越差，一般多級火箭都是三級火箭。
2．現代火箭的噴氣速度在2000—4000m/s
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，火箭本身的質量不斷減小，故在應用動量守恒定律時，必須取在同一相互作用時間內的火箭和噴出的氣體為研究對象。注意反沖前、后各物體質量的變化。
(2)明確兩部分物體初、末狀態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法予以調整，一般情況要轉換成對地的速度。
(3)列方程時要注意初、末狀態動量的方向。
日本-M系列
美國-大力神號
俄羅斯—能源號
歐洲—阿麗亞娜
長征系列
中國
課后習題
1. 一架噴氣式飛機飛行的速度是800m/s，如果它噴出的氣體相對飛機的速度小于800 m/s，那么以地面為參考系，氣體的速度方向實際上是與飛機飛行的方向相同的。如果在這種情況下繼續噴出氣體，飛機的速度還會增加嗎 為什么
解：飛機的速度還會增加.
因為飛機噴出的氣體速度相對于飛機是向后的，且飛機的質量減少，飛機與噴出氣體組成的系統動量守恒，故飛機仍能加速.
設 v0＝800m/s，v1 為飛機噴氣后的速度，u 為噴出氣體相對飛機的速度，M為飛機的質量， m 為噴出氣體的質量，
則有 Mv0＝(M－Δm)v1＋ m(v1－u)，
解得 v1＝ v0＋u＞v0.
課后習題
2. 一個連同裝備共有 100kg 的航天員，脫離宇宙飛船后，在離飛船 45 m 的位置與飛船處于相對靜止的狀態(圖1.6-8)。裝備中有一個高壓氣源，能以 50 m/s 的速度噴出氣體。航天員為了能在 10 min 內返回飛船，他需要在開始返回的瞬間一次性向后噴出多少氣體
解：設航天員連同裝備的總質量為 M＝100 kg，x＝45 m，v0＝50 m/s，t＝600 s，
設一次性噴出的氣體的質量為 m，在噴氣過程中，動量守恒，
則有 0＝(M－Δm)v1－Δmv0，x＝v1t
解得 m＝ ＝0.15 kg
3. 用火箭發射人造地球衛星，假設最后一級火箭的燃料用完后，火箭殼體和衛星一起以 7.0×103 m/s 的速度繞地球做勻速圓周運動。已知衛星的質量為 500kg，最后一級火箭殼體的質量為 100kg。某時刻火箭殼體與衛星分離，分離時衛星與火箭殼體沿軌道切線方向的相對速度為 1.8×103 m/s。試分析計算：分離后衛星的速度增加到多大 火箭殼體的速度是多大 分離后它們將如何運動
解：設衛星的質量為 M＝500 kg，最后一節火箭殼體的質量為 m＝100 kg.分離過程中，動量守恒，有 (M＋m)v＝Mv1＋m (v1－v相)，
解得 v1＝v0＋ v相＝7.3×103 m/s
火箭殼體的速度 v2＝v1－v相＝ 5.5×103 m/s
分離后，衛星做圓周運動的軌道半徑將增大，在高軌道運行；而火箭殼體做圓周運動的軌道半徑將減小，在低軌道運行，若進入大氣層，它的運行軌道將不斷降低，最后將會在大氣層中燒毀.
課后習題
4.一個士兵坐在皮劃艇上，他連同裝備和皮劃艇的總質量是 120kg。這個士兵用自動步槍在 2s 內沿水平方向連續射出 10 發子彈，每發子彈的質量是 10g，子彈離開槍口時相對步槍的速度是 800m/s。射擊前皮劃艇是靜止的，不考慮水的阻力。
(1) 每次射擊后皮劃艇的速度改變多少
(2) 連續射擊后皮劃艇的速度是多大
(3) 連續射擊時槍所受到的平均反沖作用力是多大
(1) 每次射擊后皮劃艇的速度改變多少
解：設士兵連同裝備和皮劃艇的總質量為 M＝120kg，每發子彈的質量為 m＝10g，連續射擊時間 t＝2s，子彈離開槍口時相對步槍的速度為 v0＝800 m/s.
射出第 1 發子彈的過程中，系統動量守恒，
則有 0＝(M－m)v1＋m(v2－v0)，得到 v1＝v0
射出第 2 顆子彈的過程中，系統動量守恒，
則有(M－m)v1＝ (M－2m)v2＋m(v2－v0)，
得 v2＝v1＋v0＝(＋)mv0，
同理，第 3 發子彈射出后皮劃艇的速度為
v3＝(＋＋)mv0
射出第 n 發子彈的過程中，皮劃艇的速度改變量
vn＝vn－vn－1 ＝
考慮到 M≥m ，故 Δvn ≈ v0＝ 15 m/s.
(2) 連續射擊后皮劃艇的速度是多大
解：第 10 發子彈射出后，皮劃艇的速度為
v10＝(＋＋···＋ ) mv0 ≈ v0 ＝ m/s.
(3) 連續射擊時槍所受到的平均反沖作用力是多大
解：設全過程中槍所受到的平均反沖作用力為，
則有 Ft＝(M－10m)v10
解得 F＝v10≈× N＝40 N.
① 反沖運動與火箭
（1）反沖運動
①反沖現象是指一個靜止的物體在內力作用下分裂成兩個部分，一部分向某個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動的現象.在反沖現象里，系統的動量是守恒的.
②反沖現象的應用：噴氣式飛機、火箭.
（2）爆炸類問題
爆炸類問題可用動量守恒定律來求解.在爆炸過程中，有其他形式的能轉化為動能，系統的動能在爆炸后會增加；在碰撞過程中，系統的總動能不可能增加，一般會有所減少.
1
m1v1+m2v2=0，兩部分動量大小相等，方向相反
相同點：動量守恒
不同點：爆炸后動能增加；彈性碰撞后動能不變，非彈性碰撞動能減小
如圖所示，設質量為M＝2 kg的炮彈運動到空中最高點時速度為v0，此時突然炸成兩塊，質量為m＝0.5 kg的彈頭以速度v1＝100 m/s沿v0的方向飛去，另一塊彈片以大小為v2＝20 m/s的速度沿v0的反方向飛去。求：
(1)v0的大小；
答案　10 m/s
規定v0的方向為正方向，爆炸瞬間，彈頭和另一塊彈片組成的系統動量守恒，有Mv0＝mv1－(M－m)v2
代入數據解得v0＝10 m/s。
(2)爆炸過程中炮彈增加的動能。
答案　2 700 J
爆炸前炮彈的動能為
故爆炸過程中炮彈增加的動能為ΔEk＝Ek2－Ek1＝2 700 J。
某同學質量為60kg，在軍事訓練中要求他從岸上以大小為2m/s的速度跳到一條向他緩緩漂來的小船上，然后去執行任務，小船的質量是140kg，原來的速度大小是0.5m/s，該同學上船后又跑了幾步，最終停在船上（船未與岸相撞），不計水的阻力，求：
（1）人跳上船后，船的最終速度；
（2）船的動量變化量。
0.25 m/s，方向與初速度方向相同
105 kg·m/s，方向與人的初速度方向相同
解析：（1）規定該同學原來的速度方向為正方向。設該同學上船后，船與該同學的共同速度為v，該同學跳上小船后與小船達到共同速度的過程，該同學和船組成的系統所受合外力為零，系統的動量守恒，則由動量守恒定律得
代入數據解得 ，方向與初速度方向相同
（2）船的動量變化量為
方向與人初速度方向相同。

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