1.6反冲现象 火箭 讲义-2021-2022学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第一册word版含答案

第一章动量守恒定律
第6节反冲现象
火箭
【素养目标】
1.了解反冲运动的概念及反冲运动的一些应用.
2.知道反冲运动的原理
3.掌握应用动量守恒定律解决反冲运动问题
4.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素
【必备知识】
一、反冲现象
1、定义
根据动量守恒定律，如果一个静止的物体在内力的作用下分裂为两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动，这个现象叫做反冲．
2、表达式
若系统的初始动量为零，则动量守恒定律的形式变为0＝m1v1＋m2v2，此式表明，做反冲运动的两部分的动量大小相等、方向相反，而它们的速率与质量成反比．
3、讨论反冲运动应注意的两个问题
(1)速度的矢量性
对于原来静止的物体，被抛出部分具有速度时，剩余部分的运动方向与被抛出部分必然相反．
(2)速度的相对性
在反冲问题中，若给出的速度时物体间的相对速度，应用动量守恒定律列方程时，应将相对速度转化为相对于同一参考系的速度。
4、反冲的利用和防止
利用有益的反冲运动：喷气式飞机、火箭等都是靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的速度
避免有害的反冲运动：用枪射击时，子弹向前飞去，枪身发生反冲向后运动，会影响射击的准确性，所以要把枪身抵在肩部，以减小反冲的影响。
【点睛】“人船模型”问题
(1)定义
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.
(2)特点
①两物体满足动量守恒定律：m11－m22＝0.
②运动特点：人动船动，人停船停，人快船快，人慢船慢，人左船右；人船位移比等于它们质量的反比；人船平均速度(瞬时速度)比等于它们质量的反比，即＝＝.
③应用此关系时要注意一个问题：即公式中1、2和x1、x2一般都是相对地面而言的．
二、火箭
1．原理
火箭的飞行应用了反冲的原理，靠喷出气流的反冲作用来获得巨大速度．
2．影响火箭获得速度大小的因素
一是喷气速度，二是火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比．喷气速度越大，质量比越大，火箭获得的速度越大．
3、火箭的速度
设火箭在Δt时间内喷射燃气的质量为Δm，速度为u，喷气后火箭的质量为m，获得的速度为v，由动量守恒定律：0＝mv＋Δmu，得v＝－u.
【点睛】火箭最大飞行速度的决定因素
火箭获得速度取决于燃气喷出速度u及燃气质量与火箭本身质量之比两个因素．
【课堂检测】
1.如图所示为我国的长征七号运载火箭刚发射时的情景。则下列说法正确的是（??
）
A.?火箭受到地面对它的弹力作用而升空
B.?火箭受到发射架对它的弹力作用而升空
C.?火箭受到向下喷射的气体对它的作用而升空
D.?在没有空气的环境中这类火箭无法升空
【答案】
C
【解析】ABC．火箭升空利用的是喷出的气体对火箭的反冲作用；不是地面对它的弹力作用，也不是发射架对它的作用，AB不符合题意，C符合题意；
D．因为气体的反冲作用，火箭离开大气层后仍然会受到气体的反冲作用，故仍可以获得前进的动力，D不符合题意。
故答案为：C。
【分析】火箭升空是利用气体对它的反作用力；没有空气时火箭仍然会受到气体的反冲作用获得动力。
2.质量为M的热气球吊框中有一质量为m的人，共同静止在距离地面为h的高空中，现从气球上放下一根质量不计的软绳，人沿绳子安全滑到地面，在此过程中热气球上升了（??
）
A.?h???????????????????????????????????B.?h???????????????????????????????????C.?h???????????????????????????????????D.?h
【答案】
A
【解析】解：人与气球组成的系统动量守恒，设人的速度v1
，
气球的速度v2
，
设运动时间为t，
以人与气球组成的系统为研究对象，以向下为正方向，
由动量守恒得：mv1﹣Mv2=0，
得：
，其中x人=h
解得：x气=
，故A正确，BCD错误，
故选：A
【分析】人和气球动量守恒，当人不动时，气球也不动；当人向下运动时，气球向上运动，且变化情况一致，即加速均加速，减速均减速，匀速均匀速．根据动量守恒列出等式求解．
【素养作业】
1.竖直发射的火箭质量为6×103
kg．已知每秒钟喷出气体的质量为200
kg．若要使火箭获得20．2
m/s2的向上加速度，则喷出气体的速度大小应为（?
）
A.?700
m/s???????????????????????????B.?800
m/s???????????????????????????C.?900
m/s???????????????????????????D.?1
000
m/s
【答案】
C
【解析】火箭和喷出的气体动量守恒，即每秒喷出气体的动量等于火箭每秒增加的动量，即m气v气＝m箭v箭
，
由动量定理得火箭获得的动力F＝
＝
＝200v气
，
又F－m箭g＝m箭a，得v气＝900
m/s．
2.质量为m、半径为R的小球，放在半径为2R、质量为2m的大空心球内，大球开始静止在光滑水平面上。当小球从如图所示的位置无初速度沿内壁滚到最低点时，大球移动的距离是（?
）
A.??????????????????????????????????????????B.??????????????????????????????????????????C.??????????????????????????????????????????D.?
【答案】
B
【解析】由水平方向平均动量守恒有：
，即有
，又x小球＋x大球＝R，所以x大球＝
R。
3.以下实例中不是利用反冲现象的是（??
）
A.?当枪发射子弹时，枪身会同时向后运动
B.?乌贼向前喷水从而使自己向后游动
C.?火箭中的火药燃烧向下喷气推动自身向上运动
D.?战斗机在紧急情况下抛出副油箱以提高机身的灵活性
【答案】
D
【解析】A.当枪发射子弹时，枪身同时受到一个反向的力会向后运动，A是反冲现象；
B．乌贼向前喷水从而使自己受到一个向后的力，向后游动，B是反冲现象；
C．火箭中的火药燃烧向下喷气而自身受到一个向上的推力，推动自身向上运动，C是反冲现象；
D．战斗机抛出副油箱，质量减小，惯性减小，机身的灵活性提高，D不是反冲现象。
故答案为：D。
4.向空中发射一枚炮弹，不计空气阻力，当此炮弹的速度恰好沿水平方向时，炮弹炸裂成a、b两块，若质量较大的a的速度方向仍沿原来的方向，则有（??
）
A.?b的速度方向一定与炸裂前瞬间的速度方向相反
B.?从炸裂到落地的这段时间内，a飞行的水平距离一定比b的大
C.?a、b一定同时到达水平地面
D.?炸裂的过程中，a、b动量的变化量大小一定不相等
【答案】
C
【解析】解：A、炮弹炸裂过程发生在炮弹的速度恰好沿水平方向时，由于炮弹水平方向不受外力，所以在水平方向上动量守恒，设炮弹炸裂前瞬间的速度为v炸裂后a、b的速度分别为va、vb
，
由动量守恒定律有：（ma+mb）v=mava+mbvb
，
若va＜v，可得vb的方向与v方向相同，且有vb＞v，故A错误；
BC、a、b
在水平飞行的同时，竖直方向上做自由落体运动，即做平抛运动，落地时间由高度决定，可知a、b同时落地，由于水平飞行距离x=vt，由A选项分析知，a的速度可能小于b的速度，则a的水平位移可能比b的小，故B错误，C正确．
D、由动量守恒定律可知，炸裂的过程中，a、b动量的变化量大小一定相等，故D错误．
故选：C．
5.如图所示，在光滑的水平面上放有一物体M，物体上有一光滑的半圆弧轨道，轨道半径为R，最低点为C，两端A、B等高，现让小滑块m从A点静止下滑，在此后的过程中，则（??
）
A.?M和m组成的系统机械能守恒，动量守恒
B.?M和m组成的系统机械能守恒，动量不守恒
C.?m从A到C的过程中M向左运动，m从C到B的过程中M向右运动
D.?m从A到B的过程中，M运动的位移为
【答案】
B
【解析】解：A、小滑块m从A点静止下滑，物体M与滑块m组成的系统水平方向所受合力为零，系统水平方向动量守恒，竖直方向有加速度，合力不为零，所以系统动量不守恒．M和m组成的系统机械能守恒，故A错误，B正确；
C、系统水平方向动量守恒，由于系统初始状态水平方向动量为零，所以m从A到C的过程中，m向右运动，M向左运动，m从C到B的过程中M还是向左运动，即保证系统水平方向动量为零．故C错误；
D、设滑块从A到B的过程中为t，滑块发生的水平位移大小为x，则物体产生的位移大小为2R﹣x，
取水平向右方向为正方向．则根据水平方向平均动量守恒得：
m
﹣M
=0
解得：x=
所以物体产生的位移的大小为2R﹣x=
，故D错误；
故选：B．
6.某中学航天兴趣小组设计制作了一火箭模型，其质量为M（含燃料）．现将其静置在地面上，点火升空，在极短时间内以相对地面的速度v0竖直向下喷出质量为m的炽热气体．忽略喷气过程中重力和空气阻力的影响，则喷气结束时火箭模型获得的速度大小是．（??
）
A.?????????????????????????????????B.?????????????????????????????????C.?????????????????????????????????D.?
【答案】
B
【解析】解：取向上为正方向，由动量守恒定律得：
0=（M﹣m）v﹣mv0
则火箭速度v=
．故ACD错误，B正确．
故选：B
7.质量M=100kg的小船静止在水面上，船首站着质量m甲=40kg的游泳者甲，船尾站着质量m乙=60kg的游泳者乙，船首指向左方，若甲、乙两游泳者同时在同一水平线上甲朝左、乙朝右以3m/s的速率跃入水中，则（??
）
A.?小船向左运动，速率为1m/s???????????????????????????????B.?小船向左运动，速率为0.6m/s
C.?小船向右运动，速率大于1m/s???????????????????????????D.?小船仍静止
【答案】
B
【解析】解：设水平向右为正方向，两游泳者同时跳离小船的速度为v，根据甲乙两游泳者和小船组成的系统动量守恒有：
﹣m甲v甲+m乙v乙+Mv=0
代入数据可得：v=﹣0.6m/s，其中负号表示小船向左运动，所以选项B正确．
故选：B
8.一航天器完成对月球的探测任务后，在离开月球的过程中，由静止开始沿着与月球表面成一倾角的直线飞行，先加速运动，再匀速运动，探测器通过喷气而获得推动力，以下关于喷气方向的描述中正确的是(　　)
A.?探测器加速运动时，沿直线向后喷气??????????????????B.?探测器加速运动时，竖直向下喷气
C.?探测器匀速运动时，竖直向下喷气??????????????????????D.?探测器匀速运动时，不需要喷气
【答案】
C
【解析】探测器由静止开始沿着与月球表面成一倾斜角的直线飞行时，受到月球竖直向下的万有引力及沿气体喷气方向相反的反冲力，在两个力的合力作用下运动，再由探测器的运动状态来判断反冲力的方向，进而判断喷气方向
A、B：探测器由静止开始沿着与月球表面成一倾斜角的直线飞行加速运动时，加速度的方向沿直线与速度方向相同，即合力的方向也沿直线与速度方向相同，而受到月球的万有引力方向竖直向下，所以，反冲力方向与运动直线成一角度斜向上，那么，喷气方向与运动直线成一角度斜向下，∴选项A、B错误．
C、D：探测器匀速运动，受力平衡，合力为零，已知受到的月球的万有引力竖直向下，则受到的气体的反冲力竖直向上，因此，探测器竖直向下喷气，∴选项C正确，选项D错误
故只有选项C正确．