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(共42张PPT)
6. 反冲现象 火箭
人教版（2019）物理（选择性必修 第一册）
第一章 动量守恒定律
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.通过实验认识反冲运动，能举出反冲运动的实例，知道火箭的发射式反冲现象
2.能结合动量守恒定律对常见的反冲现象作出解释
3.了解我国航天事业的巨大成就，增强对我国科学技术发展的自信
你知道章鱼、乌贼怎样游水吗？
它们先把水吸入体腔，然后用力压水，通过身体前面的孔将水喷出，使身体很快地运动。章鱼能够调整自己的喷水口的方向，这样可以使得身体向任意方向前进。
你认为章鱼游水时应用了什么物理原理吗？如何解释呢？
思考
视频演示：乌贼游水
正确教育
反冲现象
发射炮弹时，炮弹从炮筒中飞出，炮身则向后退。这种情况由于系统内力很大，外力可忽略，可用动量守恒定律来解释。射击前，炮弹静止在炮筒中，它们的总动量为0。炮弹射出后以很大的速度向前运动，根据动量守恒定律，炮身必将向后运动。只是由于炮身的质量远大于炮弹的质量，所以炮身向后的速度很小。炮身的这种后退运动叫作反冲(recoil)。
1.反冲现象:系统在内力作用下，当一部分向某一方向运动时，剩余部分沿相反方向运动的现象。
2.反冲原理
反冲运动的基本原理是动量守恒定律，如果系统的一部分获得了某一方向的动量，系统的其他部分就会在这一方向的反方向上获得同样大小的动量．
3.公式
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．
（1）物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。
（2）反冲运动和碰撞、爆炸有相似之处，相互作用力常为变力，且作用力大，一般都满足内力>>外力，所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。
（3）反冲中，由于有其他形式的能转化为动能，所以系统的总动能增加。
4.特点
5. 应用
在实际中常常需要考虑反冲现象的影响。用枪射击时子弹向前飞去，枪身发生反冲向后运动。枪身的反冲会影响射击的准确性，所以用步枪射击时要把枪身抵在肩部以减少反冲的影响。
实际生产、生活中应用反冲现象的例子也很多，例如，农田、园林的喷灌装置能够一边喷水一边旋转，这是因为喷口的朝向略有偏斜，水从喷口喷出时，喷管因反冲而旋转。这样可以自动改变喷水的方向。
喷灌装置
中国新型履带式自行榴弹炮炮车的履带表面有较深的突起抓地钩型设计是为了增大摩擦力，止退犁和两个液压缓冲器，都是为了在火炮连射时起到“止退”的作用，提高命中精度而精心设计的。
海上冲水是利用反冲原理设计的一种游玩项目
把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口，然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。
现象：通过实验发现，气球口朝下，气球往上飞，气球口朝上，气球往下飞。
思考：如何解释刚才的现象呢？
气球向一个方向喷气时，就会受到一个相反方向的力，而向相反方向运动，这是反冲现象。
思考：气球喷气会受到一个相反方向力的作用向相反方向运动，如果喷出的不是气，而是液体像水，会怎样呢？
把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口，然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。
如图1.6-2乙，把弯管装在可旋转的盛水容器的下部。当水从弯管流出时容器就旋转起来。
视频演示：反冲现象
反冲现象的本质
系统机械能不守恒、系统动量守恒。
讨论反冲运动应注意的两个问题
(1)速度的反向性
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。一般都指对地速度。
正确教育
火箭
现代火箭较古代火箭结构复杂得多，现代火箭主要由壳体和燃料组成，壳体是圆筒形的，前端是封闭的尖端，后端有尾喷管，燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾喷管迅速喷出，火箭就向前飞去。
现代的火箭
我国宋代就发明了火箭，火箭上扎一个火药筒，火药筒的前端是封闭的，火药点燃后火箭由于反冲向前运动。
三级火箭
根据 v= ( －1)v1
火箭的最终速度主要取决于两个条件：
一是喷气速度；
二是质量比，即火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比.
我国采用多级火箭方案,逐级减轻火箭本身质量，提高火箭速度.
如图所示为多级火箭结构示意图，发射时先点燃第一级火箭，燃料用完后，空壳自动脱落，然后下级火箭开始工作，多级火箭能及时把空壳抛掉，使总质量减少，从而达到很高的速度。若某三级火箭的运载物质量为M，每一级火箭的燃料及空壳质量为m，燃料相对运载物速率为v0，求：
(1)若三级火箭一次把燃料喷完，运载物获得的速度大小；
若三级火箭一次把燃料喷完，运载物获得速度为v。
由动量守恒定律得：Mv＋3m(－v0＋v)＝0得
(2)若三级火箭逐渐向后喷气，运载物最终获得的速度大小；
若三级火箭逐渐向后喷气，运载物获得的速度依次为v1、v2、v3，由动量守恒定律得：第一级火箭喷完时：
(3)试通过计算说明：火箭不是一次把燃气喷完而是逐渐向后喷气以获得更大反冲速度的道理。
答案　见解析
所以v3>v，即分次喷出时可使火箭获得更大速度。
多级火箭发射时，较大的第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二级、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担．目前多级火箭一般都是三级火箭，因为三级火箭能达到目前发射人造卫星的需求．而且级数越多，结构越复杂，并难以控制。
由于受重力的影响，单级火箭达不到发射人造地球卫星所需要的7.9 km/s，实际火箭为多级。
多级火箭发射时，较大的第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二级、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担，使火箭达到远远超过使用同样多的燃料的一级火箭所能达到的速度。目前多级火箭一般都是三级火箭，因为三级火箭能达到目前发射人造卫星的需求。
1.火箭的级数不是越多越好。级数越多，构造越复杂，工作的可靠性和安全性就越差，一般多级火箭都是三级火箭。
2．现代火箭的喷气速度在2000—4000m/s
火箭类问题的三点提醒
(1)火箭在运动过程中，随着燃料的燃烧，火箭本身的质量不断减小，故在应用动量守恒定律时，必须取在同一相互作用时间内的火箭和喷出的气体为研究对象。注意反冲前、后各物体质量的变化。
(2)明确两部分物体初、末状态的速度的参考系是否为同一参考系，如果不是同一参考系要设法予以调整，一般情况要转换成对地的速度。
(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向。
日本-M系列
美国-大力神号
俄罗斯—能源号
欧洲—阿丽亚娜
长征系列
中国
课后习题
1. 一架喷气式飞机飞行的速度是800m/s，如果它喷出的气体相对飞机的速度小于800 m/s，那么以地面为参考系，气体的速度方向实际上是与飞机飞行的方向相同的。如果在这种情况下继续喷出气体，飞机的速度还会增加吗 为什么
解：飞机的速度还会增加.
因为飞机喷出的气体速度相对于飞机是向后的，且飞机的质量减少，飞机与喷出气体组成的系统动量守恒，故飞机仍能加速.
设 v0＝800m/s，v1 为飞机喷气后的速度，u 为喷出气体相对飞机的速度，M为飞机的质量， m 为喷出气体的质量，
则有 Mv0＝(M－Δm)v1＋ m(v1－u)，
解得 v1＝ v0＋u＞v0.
课后习题
2. 一个连同装备共有 100kg 的航天员，脱离宇宙飞船后，在离飞船 45 m 的位置与飞船处于相对静止的状态(图1.6-8)。装备中有一个高压气源，能以 50 m/s 的速度喷出气体。航天员为了能在 10 min 内返回飞船，他需要在开始返回的瞬间一次性向后喷出多少气体
解：设航天员连同装备的总质量为 M＝100 kg，x＝45 m，v0＝50 m/s，t＝600 s，
设一次性喷出的气体的质量为 m，在喷气过程中，动量守恒，
则有 0＝(M－Δm)v1－Δmv0，x＝v1t
解得 m＝ ＝0.15 kg
3. 用火箭发射人造地球卫星，假设最后一级火箭的燃料用完后，火箭壳体和卫星一起以 7.0×103 m/s 的速度绕地球做匀速圆周运动。已知卫星的质量为 500kg，最后一级火箭壳体的质量为 100kg。某时刻火箭壳体与卫星分离，分离时卫星与火箭壳体沿轨道切线方向的相对速度为 1.8×103 m/s。试分析计算：分离后卫星的速度增加到多大 火箭壳体的速度是多大 分离后它们将如何运动
解：设卫星的质量为 M＝500 kg，最后一节火箭壳体的质量为 m＝100 kg.分离过程中，动量守恒，有 (M＋m)v＝Mv1＋m (v1－v相)，
解得 v1＝v0＋ v相＝7.3×103 m/s
火箭壳体的速度 v2＝v1－v相＝ 5.5×103 m/s
分离后，卫星做圆周运动的轨道半径将增大，在高轨道运行；而火箭壳体做圆周运动的轨道半径将减小，在低轨道运行，若进入大气层，它的运行轨道将不断降低，最后将会在大气层中烧毁.
课后习题
4.一个士兵坐在皮划艇上，他连同装备和皮划艇的总质量是 120kg。这个士兵用自动步枪在 2s 内沿水平方向连续射出 10 发子弹，每发子弹的质量是 10g，子弹离开枪口时相对步枪的速度是 800m/s。射击前皮划艇是静止的，不考虑水的阻力。
(1) 每次射击后皮划艇的速度改变多少
(2) 连续射击后皮划艇的速度是多大
(3) 连续射击时枪所受到的平均反冲作用力是多大
(1) 每次射击后皮划艇的速度改变多少
解：设士兵连同装备和皮划艇的总质量为 M＝120kg，每发子弹的质量为 m＝10g，连续射击时间 t＝2s，子弹离开枪口时相对步枪的速度为 v0＝800 m/s.
射出第 1 发子弹的过程中，系统动量守恒，
则有 0＝(M－m)v1＋m(v2－v0)，得到 v1＝v0
射出第 2 颗子弹的过程中，系统动量守恒，
则有(M－m)v1＝ (M－2m)v2＋m(v2－v0)，
得 v2＝v1＋v0＝(＋)mv0，
同理，第 3 发子弹射出后皮划艇的速度为
v3＝(＋＋)mv0
射出第 n 发子弹的过程中，皮划艇的速度改变量
vn＝vn－vn－1 ＝
考虑到 M≥m ，故 Δvn ≈ v0＝ 15 m/s.
(2) 连续射击后皮划艇的速度是多大
解：第 10 发子弹射出后，皮划艇的速度为
v10＝(＋＋···＋ ) mv0 ≈ v0 ＝ m/s.
(3) 连续射击时枪所受到的平均反冲作用力是多大
解：设全过程中枪所受到的平均反冲作用力为，
则有 Ft＝(M－10m)v10
解得 F＝v10≈× N＝40 N.
① 反冲运动与火箭
（1）反冲运动
①反冲现象是指一个静止的物体在内力作用下分裂成两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动的现象.在反冲现象里，系统的动量是守恒的.
②反冲现象的应用：喷气式飞机、火箭.
（2）爆炸类问题
爆炸类问题可用动量守恒定律来求解.在爆炸过程中，有其他形式的能转化为动能，系统的动能在爆炸后会增加；在碰撞过程中，系统的总动能不可能增加，一般会有所减少.
1
m1v1+m2v2=0，两部分动量大小相等，方向相反
相同点：动量守恒
不同点：爆炸后动能增加；弹性碰撞后动能不变，非弹性碰撞动能减小
如图所示，设质量为M＝2 kg的炮弹运动到空中最高点时速度为v0，此时突然炸成两块，质量为m＝0.5 kg的弹头以速度v1＝100 m/s沿v0的方向飞去，另一块弹片以大小为v2＝20 m/s的速度沿v0的反方向飞去。求：
(1)v0的大小；
答案　10 m/s
规定v0的方向为正方向，爆炸瞬间，弹头和另一块弹片组成的系统动量守恒，有Mv0＝mv1－(M－m)v2
代入数据解得v0＝10 m/s。
(2)爆炸过程中炮弹增加的动能。
答案　2 700 J
爆炸前炮弹的动能为
故爆炸过程中炮弹增加的动能为ΔEk＝Ek2－Ek1＝2 700 J。
某同学质量为60kg，在军事训练中要求他从岸上以大小为2m/s的速度跳到一条向他缓缓漂来的小船上，然后去执行任务，小船的质量是140kg，原来的速度大小是0.5m/s，该同学上船后又跑了几步，最终停在船上（船未与岸相撞），不计水的阻力，求：
（1）人跳上船后，船的最终速度；
（2）船的动量变化量。
0.25 m/s，方向与初速度方向相同
105 kg·m/s，方向与人的初速度方向相同
解析：（1）规定该同学原来的速度方向为正方向。设该同学上船后，船与该同学的共同速度为v，该同学跳上小船后与小船达到共同速度的过程，该同学和船组成的系统所受合外力为零，系统的动量守恒，则由动量守恒定律得
代入数据解得 ，方向与初速度方向相同
（2）船的动量变化量为
方向与人初速度方向相同。

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