1.4、5 反冲运动 自然界中的守恒定律 课件

课件45张PPT。第四节　反冲运动
第五节　自然界中的守恒定律 1．理解反冲运动的概念；了解反冲运动的典型事例．理解反冲运动的原理是动量守恒定律．
2．了解火箭的工作原理．了解决定火箭能力大小的因素．
3．会用动量守恒定律分析解决反冲运动问题．
4．了解自然界中的守恒与对称. 一、反冲运动
?定义：当一个物体向某一方向射出(或抛出)它的一部分时，这个物体的剩余部分将向 方向运动．
?特点：
(1)物体的不同部分在 力作用下向相反方向运动．
(2)反冲运动中，相互作用力一般较大，通常可以用动量守恒定律来处理．
(3)反冲运动中，由于有 能转化为 能，所以系统的总动能 ．相反内其他形式动增加?反冲运动现象的防止及应用
(1)防止：射击时枪身的后退，影响射击的 ．
(2)应用：①蝴蝶飞行时翅膀的扇动．
②乌贼和大多数头足类软体动物在水里活动．
③火箭的发射．准确性二、自然界中的守恒定律
?守恒与不变
(1)能量守恒： 是物理学中最重要的物理量之一，而且具有 的形式，各种形式的能量可以相互转化但总能量 ．
(2)动量守恒：动量守恒定律通常是对 的物体所构成的系统而言的．适用于 的运动，因此常用来推断系统在发生碰撞前后运动状态的 ．
(3)守恒定律的本质，就是某种物理量保持不变．能量守恒是对应着 变换中的不变性；动量守恒是对应着 变换下的不变性．能量各种各样不变相互作用任何形式变化某种空间某种时间
?守恒与对称
(1)对称的本质：也是某种不变性．所以守恒与对称性之间有着必然的联系．
(2)自然界应该是和谐对称的，在探索未知的物理规律的时候，允许以普遍的对称性作为指引. 一、对反冲运动的进一步理解
?理解反冲运动的原理及适用的公式
反冲运动和碰撞、爆炸有类似之处，相互作用力常为变力且作用力很大，可以认为内力远大于外力，系统动量守恒或某个方向上动量守恒，因此可以用动量守恒定律处理反冲运动的问题．若系统初始动量为零，动量守恒定律为：m1v1′＋m2v2′＝0；若系统初始动量不为零，设分离前系统总质量为M，分离质量为m，分离前系统速度为v1，m分离速度为v2′，剩余部分速度为v1′，根据动量守恒定律得：(M－m)v1′＋mv2′＝Mv1.?实际遇到的反冲运动问题通常有以下三种
(1)系统不受外力或所受外力之和为零，满足动量守恒的条件，可以用动量守恒定律解决反冲运动问题．
(2)系统虽然受到外力作用，但内力远远大于外力，外力可以忽略，也可以用动量守恒定律解决反冲运动问题．
(3)系统虽然所受外力之和不为零，系统的动量并不守恒，但系统在某一方向上不受外力或外力在该方向上的分力之和为零，则系统的动量在该方向上的分量保持不变，可以用该方向上动量守恒解决反冲运动问题．?在讨论反冲运动问题时，应注意以下几点
(1)速度的反向性问题：对于原来静止的整体，当被抛出部分具有速度时，剩余部分的反冲是相对于抛出部分来说的，两者运动方向必然相反．在列动量守恒方程时，理论上可任意规定某一部分的运动方向为正方向，则反方向的另一部分的速度就要取负值．
(2)相对速度问题：反冲运动的问题中，有时遇到的速度是相互作用的两物体的相对速度．但是动量守恒定律中要求速度是对同一参考系的速度(通常为对地的速度)．因此应先将相对速度转换成对地的速度，再列动量守恒定律方程．
(3)变质量问题：在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动，如在火箭的运动过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间内喷出的所有气体为研究对象，取相互作用的这个过程为研究过程来进行研究．二、反冲运动的应用——“人船模型”
?“人船模型”问题的特征
两个原来静止的物体发生相互作用时，若所受外力的矢量和为零，则动量守恒．在相互作用的过程中，任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比．这样的问题归为“人船模型”问题．?模型描述(图1－4、5－1)
在平静的湖面上停泊着一条长为L、质量为M的船，如果有一质量为m的人从船的一端走到另一端，不计水对船的阻力，求船和人相对水面的位移各为多少？
设人从船的一端走到另一端所用时间为t，人、船的平均速度分别为v人、v船，由人、船整个系统在水平方向上满足动量守恒，则图1－4、5－1 三、动量能量综合问题分析
处理力学问题的基本思路方法有三种：一是牛顿定律，二是动量关系，三是能量关系．利用动量的观点和能量的观点解题时应注意下列问题：
(1)动量定理和动量守恒定律是矢量表达式，还可列出分量表达式；而动能定理和能量守恒定律是标量表达式，绝无分量表达式．
(2)从研究对象上看，动量定理既可研究单体，又可研究系统，但高中阶段一般用于研究单体，动能定理在高中阶段只能用于研究单体．(3)动量守恒定律和能量守恒定律，是自然界最普遍的规律，它们研究的是物体系统，在力学中解题时必须注意动量守恒的条件及机械能守恒的条件．在应用这两个规律时，当确定了研究的对象及运动状态变化的过程后，可根据问题的已知条件和要求解未知量，选择研究的两个状态列方程求解．
(4)中学阶段凡可用力和运动的观点解决的问题，若用动量的观点或能量的观点求解，一般都要比用力和运动的方法要简便，而中学阶段涉及的曲线运动(a不恒定)、平面内的圆周运动、碰撞等，就中学知识而言，不可能单纯考虑用力和运动的方法. 【典例1】 一火箭喷气发动机每次喷出m＝200 g的气体，气体离开发动机喷出时的速度v＝1 000 m/s.设火箭质量M＝300 kg，发动机每秒钟喷气20次．
(1)当第三次喷出气体后，火箭的速度多大？
(2)运动第1 s末，火箭的速度多大？反冲运动 答案　(1)2 m/s　(2)13.5 m/s
【变式1】 在沙堆上有一木块，质量M＝5 kg，木块上放一爆竹，质量m＝0.10 kg.点燃爆竹后木块陷入沙中深5 cm，若沙对木块运动的阻力恒为58 N，不计爆竹中火药质量和空气阻力．求爆竹上升的最大高度．(取g＝10 m/s2)
解析　这是一道动量守恒定律在反冲现象中的应用题，既考查了动量守恒定律，又考查了竖直上抛运动和牛顿运动定律等内容．答案　20 m
【典例2】 有一只小船停在静水中，船上一人从船头走到船尾．如果人的质量m＝60 kg，船的质量M＝120 kg，船长为l＝3 m，则船在水中移动的距离是多少？水的阻力不计．“人船”模型的应用答案　1 m
借题发挥　动量守恒定律是瞬时关系式，动量守恒是指时时刻刻的动量守恒，故人匀速走动，车匀速后退，人加速走动，车加速后退，人减速走动，车减速后退，人动车动，人快车快，人慢车慢，人停车停．
动量守恒定律的参考系是地面，故人对地位移不是车长L(L为人相对于车的位移)．作出位移示意图有助于正确求解．答案　D 【典例3】在光滑的水平面上放有质量均为m的物体A和B，两者彼此接触如图1－4、5－2所示，物体A的上表面是半径为R的光滑半圆形轨道，轨道顶端距水平面的高度为h.现有一质量也为m的小物体C从轨道的顶端由静止状态下滑，已知在运动过程中A和C始终保接接触．试求： 动量能量综合问题 图1-4、5-2(1)物体A和B刚分离时，物体B的速度大小；
(2)物体A和B分离后，物体C所能达到距水平面的最大高度．
借题发挥　本题通过弧形滑槽将三个不同物体连在一起组成系统，当系统中只有重力做功时，各个物体之间只有动能和势能之间的转化，没有机械能与其他形式的能量之间的转化时，则考虑系统的机械能守恒．当研究问题涉及多个物体时，应注意将物理过程弄清楚，选择相应的物体组成系统，在考虑系统时，首选动量守恒进行分析，往往会化繁为简，化难为易．这类综合题的解题思路是：理清系统中物体的运动过程，注意物体运动到最高点或最低点时速度相同这一隐含条件．图1－4、5－3 1．平板车停在水平光滑的轨道上，平板车上有一人从固定在车上的货箱边沿水平方向顺着轨道方向跳出，落在平板车地板上的A点，距货箱水平距离为l＝4 m，如图1－4、5－4所示．人的质量为m，车连同货箱的质量为M＝4m，货箱高度为h＝1.25 m．求车在人跳出后到落到地板前的反冲速度为多大(g取10 m/s2)?反冲运动 图1－4、5－4答案　1.6 m/s 2．如图1－4、5－5所示，一个倾角为α的直角斜面体静置于光滑水平面上，斜面体质量为M，顶端高度为h.今有一质量为m的小物体，沿光滑斜面下滑，当小物体从斜面顶端自由下滑到底端时，斜面体在水平面上移动的距离是 (　　)． “人船”模型的应用图1－4、5－5答案　C 3．光滑水平面上放着一质量为M的槽，槽与水平面相切且光滑，如图1－4、5－6 所示，一质量为m的小球以v0向槽运动，若开始时槽固定不动，求小球上升的高度(槽足够高)．若槽不固定，则小球又能上升多高？动量能量综合问题 图1－4、5－6