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1.6反冲现象 火箭 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念：理解反冲现象的本质是系统动量守恒的具体体现，明确反冲运动的特点及适用条件；掌握火箭的工作原理，建立“燃气喷射—动量变化—火箭推进”的因果联系，形成清晰的运动与相互作用观念。
2.科学探究：通过设计反冲运动实验，观察不同条件下反冲运动的差异，分析实验数据并归纳反冲运动的规律；经历“提出问题—设计方案—实验操作—总结结论”的探究过程，提升实验设计和数据分析能力。
3.科学思维：运用动量守恒定律推导反冲运动的速度公式，能结合实际情境分析反冲现象中的动量变化与能量转化；通过对火箭发射过程的动态分析，培养模型建构、逻辑推理和动态思维能力。
4.科学态度与责任：了解我国航天事业的发展成就，感受反冲原理在航天科技中的核心价值；激发对物理学科的学习兴趣，培养热爱科学、勇于探索的精神，增强民族自豪感和社会责任感。
二、教学重难点
1.教学重点：反冲现象的本质及动量守恒规律的应用；反冲运动速度的计算方法；火箭的工作原理及推进剂喷射与火箭速度变化的关系。
2.教学难点：反冲运动中“变质量系统”的模型建构（如火箭发射过程中质量随燃料燃烧减小）；相对速度问题在反冲运动中的处理；反冲现象中动量守恒与能量转化的关联分析。
三、教学过程
（一）情境导入，激发共鸣
多维情境呈现：
① 科技情境：播放“长征五号火箭发射”“神舟飞船返回舱分离”的精彩视频，聚焦火箭尾部喷射燃气的壮观场景；
② 生活情境：展示“节日烟花升空”“喷水枪喷水时枪身后退”“气垫船航行”的图片，演示“气球充气后释放，气球向反方向飞行”的简易实验。
问题链驱动：“火箭没有‘车轮’，为何能挣脱地面束缚飞向太空？气球释放后为何会向与喷气相反的方向运动？这些现象有什么共同的物理特征？”
旧知衔接：回顾动量守恒定律的内容——“系统不受外力或合外力为零时，总动量保持不变”，引导学生思考：“在火箭发射、气球喷气等现象中，系统（火箭与燃气、气球与内部气体）的受力情况如何？动量是否守恒？”从而自然导入本节课主题——反冲现象与火箭。
（二）实验探究，解构原理
实验一：定性观察——反冲运动的特点
（1）实验器材：充气气球、细线、支架、不同质量的小物块、气垫导轨、带喷气装置的滑块（可释放压缩空气）。
（2）实验操作：
① 气球实验：将充气气球固定在支架上，松开气球口，观察气球的运动方向与喷气方向的关系；改变气球充气量（即内部气体质量），重复实验，观察运动快慢的变化；
② 滑块实验：在气垫导轨上放置带喷气装置的滑块，释放压缩空气，观察滑块的运动方向与喷气方向的关系；在滑块上增加不同质量的物块，保持喷气量相同，观察滑块运动速度的变化。
（3）现象总结：引导学生归纳——① 反冲运动的方向：物体的运动方向与喷出部分的运动方向相反；② 影响反冲速度的因素：喷出部分的质量越大、速度越大，物体的反冲速度越大；物体自身质量越大，反冲速度越小。
实验二：定量分析——反冲运动的动量守恒
（1）实验器材：气垫导轨、两个质量可测量的滑块A、B（A上安装微型储气罐和喷气阀，B上安装遮光片）、光电计时器、天平、刻度尺。
（2）实验设计：将滑块A和B放在气垫导轨上，A的喷气阀对准B，确保喷气时A、B组成的系统在水平方向不受外力（气垫导轨消除摩擦）。
（3）实验步骤：
① 测量滑块A（含储气罐）的质量m 、滑块B的质量m ，记录遮光片宽度d；
② 打开A的喷气阀，A喷出气体推动B运动，通过光电计时器记录B通过遮光片的时间t ，计算B的速度v = d/t ；同时记录A的反冲速度v （通过光电计时器测量A的遮光片运动时间t ，v = d/t ）；
③ 改变A的储气罐压力（改变喷气速度）和A、B的质量，重复实验，记录多组数据。
（4）数据处理：计算每组实验中“系统总动量”（m v - m v ，注意方向相反用正负号表示），发现系统总动量近似为零（初总动量为零），验证反冲运动中系统动量守恒。
理论建模：反冲运动的速度推导
（1）模型设定：以“静止的大炮发射炮弹”为例，大炮质量为M，炮弹质量为m，发射时炮弹相对地面的速度为v，大炮的反冲速度为V，系统初总动量为零。
（2）推导过程：根据动量守恒定律，初总动量=末总动量 → 0 = mv - MV（炮弹速度方向为正，大炮反冲速度方向为负） → V = mv/M。
（3）规律拓展：若系统初总动量不为零（如运动的火箭喷射燃气），则动量守恒方程为：(M + m)v = Mv + mv'（M为火箭剩余质量，m为喷出燃气质量，v 为喷射前系统速度，v为火箭反冲速度，v'为燃气速度），进一步强化“反冲运动是系统动量守恒的必然结果”。
（三）聚焦应用，解读火箭
1.火箭的工作原理——反冲运动的极致应用
（1）结构认知：展示火箭结构示意图，介绍“箭体（含氧化剂箱、燃料箱）、发动机、喷管”等核心部件，明确“燃料与氧化剂燃烧产生高温高压燃气，通过喷管高速喷出，火箭获得反冲推力”的工作流程。
（2）动态分析：火箭发射过程中，燃料不断燃烧，火箭质量随燃气喷出而减小，属于“变质量系统”的反冲运动。每一瞬间，火箭与喷出的燃气组成的系统动量守恒，燃气持续喷出使火箭速度不断增大。
（3）关键因素：① 喷气速度：喷气速度越大，火箭获得的推力越大，速度增长越快（通过改进发动机技术提高喷气速度）；② 质量比：火箭起飞时的总质量与燃料耗尽时的剩余质量之比，质量比越大，火箭最终速度越大（通过多级火箭设计提高质量比，如长征火箭采用三级推进）。
2.多级火箭的优势——突破速度瓶颈
（1）问题提出：“为何火箭需要设计成多级结构？单级火箭能否达到宇宙速度？”
（2）原理分析：单级火箭燃料耗尽后，空燃料箱成为无用质量，增加了火箭的负担。多级火箭在第一级燃料耗尽后，将空燃料箱分离，减小火箭质量，第二级火箭点火继续加速，以此类推，有效提高火箭的最终速度，实现脱离地球引力的目标。
（3）案例介绍：以长征五号火箭为例，介绍其“芯一级+助推器+芯二级”的结构，说明各级火箭的工作时序和速度提升过程，让学生感受航天工程的严谨与精妙。
3.我国航天成就——增强民族自信
展示“神舟系列飞船”“嫦娥探月工程”“天问一号火星探测”“空间站建设”的图片和数据，介绍我国在火箭技术上的突破（如大推力液氧煤油发动机），让学生体会物理规律在推动科技进步中的核心作用，激发爱国情怀。
（四）例题讲解，深化应用
例题1：基础反冲——静止系统的速度计算
题目：一门质量为M=1000kg的大炮，发射质量为m=10kg的炮弹，炮弹离开炮口时相对地面的速度为v=800m/s，求大炮的反冲速度（不计炮身与地面的摩擦）。
解析：
（1）系统选取：大炮和炮弹组成的系统，水平方向不受外力（不计摩擦），动量守恒；
（2）初态动量：系统静止，总动量为0；
（3）列方程：0 = mv - MV（炮弹速度为正，大炮反冲速度为负） → V = mv/M = (10×800)/1000 = 8m/s；
（4）结论：大炮的反冲速度大小为8m/s，方向与炮弹运动方向相反。
小结：静止系统的反冲运动，初总动量为零，关键是明确两部分的速度方向，用正负号表示方向后应用动量守恒定律。
例题2：进阶反冲——含相对速度的计算
题目：一火箭总质量为M=2000kg，以v =100m/s的速度在太空中飞行，某时刻向后喷出质量为m=500kg的燃气，燃气相对火箭的速度为u=200m/s，求喷气后火箭的速度（以地面为参考系）。
解析：
（1）易错点：燃气速度是相对火箭的，需转化为相对地面的速度；
（2）参考系统一：设喷气后火箭相对地面的速度为v，则燃气相对地面的速度为v - u（因燃气向后喷，相对地面速度方向与火箭相反，u为相对火箭的速度大小）；
（3）动量守恒：系统（火箭+燃气）在太空中不受外力，动量守恒，(M)v = (M - m)v + m(v - u)；
（4）代入数据：2000×100 = (2000 - 500)v + 500(v - 200) → 200000 = 1500v + 500v - 100000 → 2000v = 300000 → v = 150m/s。
小结：涉及相对速度的反冲问题，必须统一参考系（通常选地面），明确“相对速度=绝对速度-牵连速度”的关系，再应用动量守恒定律。
例题3：实际应用——火箭的质量比问题
题目：某单级火箭的起飞质量为M =1.5×10 kg，燃料耗尽后的剩余质量为M=3×10 kg，燃料燃烧产生的燃气喷射速度为v=2000m/s，忽略空气阻力和重力，求火箭的最终速度（提示：可通过微元法推导，最终速度v=v ln(M /M)，其中v 为喷气速度）。
解析：
（1）模型说明：火箭发射过程中燃料持续喷出，属于变质量系统的反冲运动，其最终速度公式为v=v ln(M /M)（推导略，重点掌握应用）；
（2）代入数据：v =2000m/s，M /M=1.5×10 / 3×10 =5，ln5≈1.609；
（3）计算：v=2000×1.609≈3218m/s。
小结：火箭的最终速度与喷气速度和质量比的对数成正比，提高质量比（减少剩余质量）和喷气速度是提升火箭速度的关键，这也是多级火箭设计的核心原因。
（五）课堂练习，巩固提升
1.质量为60kg的宇航员在太空中手持一个质量为10kg的工具包，两者均处于静止状态。若宇航员将工具包以5m/s的速度水平抛出，求宇航员的反冲速度大小和方向。
2.一质量为M的平板车静止在光滑水平面上，车上站着一质量为m的人，人以相对地面的速度v水平向后跳下车，求平板车的速度大小和方向。
3.节日燃放的烟花在最高点时炸裂成两块，质量分别为m =0.3kg和m =0.2kg，炸裂后m 以10m/s的速度水平向左运动，m 以15m/s的速度水平向右运动，求烟花炸裂前的速度大小和方向。
4.某火箭的喷气速度为3000m/s，想要达到7.9km/s的第一宇宙速度，不计重力和空气阻力，求火箭的质量比（M /M）（已知lnx=7900/3000≈2.633，x≈14.0）。
5.质量为M=2kg的气球（含内部气体）静止在距地面高h的空中，若气球释放出质量为m=0.5kg的气体，气体释放时相对地面的速度为10m/s向下，求气球的反冲速度大小和方向（忽略空气阻力）。
（学生独立完成，小组内互评，教师针对“相对速度处理”“方向判断”“公式应用”等易错点集中讲解）
（六）课堂小结，拓展延伸
知识梳理：师生共同总结——① 反冲现象的本质：系统动量守恒，物体与喷出部分运动方向相反；② 反冲速度的计算：明确系统组成、统一参考系、应用动量守恒定律；③ 火箭工作原理：燃气高速喷射产生反冲推力，质量比和喷气速度决定最终速度。
拓展任务：
（1）基础作业：教材习题1.6第2、4、6题，巩固反冲运动的基本计算；
（2）实践探究：查阅“长征七号火箭”的相关资料，分析其级数、起飞质量、燃料类型及喷气速度等参数，结合本节课知识撰写一篇关于“长征七号火箭速度提升原理”的短文（不少于400字）；
（3）创新设计：利用身边材料（如饮料瓶、打气筒、橡皮塞）制作一个简易反冲“火箭”，记录其发射高度与瓶内气压、瓶身质量的关系，下节课分享实验成果。
四、重点知识归纳总结
1.反冲现象核心概念
（1）定义：当一个物体向某一方向射出（或喷出）一部分物质时，剩余部分会向相反方向运动的现象，称为反冲运动，简称反冲现象。
（2）本质：反冲运动是系统动量守恒的具体表现，其核心条件是“系统在某一方向上不受外力或合外力为零”。例如，火箭发射时，火箭与燃气组成的系统在水平方向不受外力，动量守恒；大炮发射时，水平方向摩擦力远小于内力，动量近似守恒。
（3）特点：① 方向性：物体的运动方向与喷出部分的运动方向相反；② 动量守恒性：系统初总动量等于末总动量（通常初总动量为零，故物体与喷出部分的动量大小相等、方向相反）；③ 能量转化性：反冲运动中，化学能（如燃料燃烧）或弹性势能（如气球喷气）转化为物体和喷出部分的动能。
2.反冲运动的速度计算
（1）基本模型：静止系统的反冲（如大炮发射、宇航员抛工具包）
① 条件：系统初总动量为零，喷出部分质量为m，速度为v；剩余部分质量为M，反冲速度为V。
② 动量守恒方程：0 = mv - MV → V = mv/M（矢量式，需规定正方向，V的正负号表示方向）。
（2）进阶模型：运动系统的反冲（如飞行中的火箭喷气）
① 条件：系统初速度为v ，总质量为M；喷出质量为m的物质，速度为v'（相对地面）；剩余部分质量为M - m，反冲速度为v（相对地面）。
② 动量守恒方程：Mv = (M - m)v + mv'（需统一参考系，明确各速度的方向）。
（3）难点突破：相对速度的处理
① 问题特征：题目中给出的速度是喷出部分相对物体的速度（如“燃气相对火箭的速度”），需转化为相对地面的速度。
② 转化公式：设物体相对地面的速度为v，喷出部分相对物体的速度为u（方向相反），则喷出部分相对地面的速度为v - u（若物体运动方向为正方向）。
③ 示例：火箭喷气时，火箭速度v（对地），燃气相对火箭速度u（向后），则燃气对地速度为v - u，动量守恒方程为Mv = (M - m)v + m(v - u)。
3.火箭的工作原理与核心规律
（1）工作原理：火箭是利用反冲运动原理工作的航天器，其核心是“燃料燃烧产生高温高压燃气，通过喷管高速喷出，根据动量守恒定律，火箭获得与燃气运动方向相反的反冲推力，从而实现加速”。
（2）关键参数：
① 喷气速度v ：燃气喷出时相对火箭的速度，取决于燃料的种类和发动机的设计，喷气速度越大，火箭推力越大，最终速度越大；
② 质量比M /M：火箭起飞时的总质量（M =火箭结构质量+燃料质量）与燃料耗尽时的剩余质量（M=火箭结构质量）之比，质量比越大，火箭最终速度越大。
（3）速度公式：
① 单级火箭最终速度（忽略重力和空气阻力）：v = v ln(M /M)，其中ln为自然对数，该公式表明火箭速度与喷气速度成正比，与质量比的对数成正比；
② 多级火箭优势：通过分离空燃料箱，减小剩余质量M，提高质量比M /M，从而突破单级火箭的速度瓶颈，实现更高的飞行速度（如第一宇宙速度7.9km/s）。
4.反冲现象的应用与防护
（1）应用领域：
① 航天科技：火箭、导弹、航天器的发射与变轨；
② 军事领域：大炮、火箭炮的发射（需安装缓冲装置减小反冲）；
③ 生活领域：气垫船、喷水推进器、烟花炸裂、宇航员太空行走（通过抛射物体调整姿态）。
（2）防护措施：对于反冲力较大的设备（如大炮），通常采用安装缓冲弹簧、增加底座质量、设计反冲制动装置等方法，减小反冲带来的危害。
5.易错点与规避方法
（1）系统选取错误：如将火箭单独作为系统，忽略燃气的动量，导致动量守恒方程列写错误，规避方法是“明确反冲运动的系统必须包含‘物体+喷出部分’，如火箭+燃气、大炮+炮弹”；
（2）相对速度处理失误：直接将相对速度代入动量守恒方程，未转化为对地速度，规避方法是“统一参考系为地面，利用‘绝对速度=相对速度+牵连速度’的关系转化速度”；
（3）方向判断错误：忽略动量的矢量性，未用正负号表示速度方向，导致计算结果错误，规避方法是“先规定正方向，将反方向的速度用负号表示，再进行代数运算”；
（4）变质量系统理解困难：对火箭发射过程中质量随燃料燃烧减小的模型难以把握，规避方法是“采用微元法思想，将变质量过程分解为无数个‘小质量燃气喷出’的瞬间，每个瞬间系统质量近似不变，应用动量守恒定律”。
五、练习及答案解析
（一）基础巩固练习
1.下列关于反冲现象的说法，正确的是（ ）
A. 反冲现象中系统动量不守恒，因为有外力作用
B. 反冲速度的大小只与喷出部分的质量有关
C. 火箭的喷气速度越大，质量比越大，最终速度越大
D. 大炮发射炮弹时，炮身的反冲速度与炮弹的速度大小相等
2.质量为M=50kg的人站在质量为m=10kg的滑板上，两者均静止在光滑水平面上。若人以相对地面v=2m/s的速度水平向前跳出，求滑板的反冲速度大小和方向。
3.一质量为2kg的玩具车静止在水平地面上，车尾部安装的喷气装置向外喷出质量为0.5kg的气体，气体喷出时的速度为10m/s，求玩具车的反冲速度（忽略地面摩擦）。
（二）提升拓展练习
4.质量为M=4kg的气球（含气体）静止在空中，释放出质量为m=1kg的气体后，气球以2m/s的速度上升，求气体释放时相对地面的速度大小和方向（忽略空气阻力）。
5.某火箭的起飞质量为M =2×10 kg，燃料耗尽后的剩余质量为M=4×10 kg，喷气速度为v =2500m/s，求该火箭的最终速度（忽略重力和空气阻力，ln5≈1.609）。
6.光滑水平面上，质量为M=3kg的滑块A以v =2m/s的速度运动，与静止的质量为m=1kg的滑块B发生碰撞，碰撞后B以3m/s的速度向前运动，求A的反冲速度大小和方向，并判断该碰撞是否为反冲现象。
7.宇航员在太空中执行任务时，质量为70kg的宇航员与质量为30kg的空间站模块相对静止，若宇航员推动模块使模块以4m/s的速度远离自己，求宇航员的反冲速度及系统动能的增加量（假设推力做功全部转化为动能）。
8.一炮弹质量为M=10kg，以v=100m/s的速度水平飞行，突然炸裂成质量分别为m =3kg和m =7kg的两块，炸裂后m 以200m/s的速度沿原方向飞行，求m 的速度大小和方向，该现象是否属于反冲现象？
（三）答案及解析
1.解析：A项错误，反冲现象中系统动量守恒，外力（如重力）通常远小于内力或在某一方向合外力为零；B项错误，反冲速度与喷出部分的质量、速度及物体自身质量均有关；C项正确，火箭最终速度v=v ln(M /M)，喷气速度越大、质量比越大，速度越大；D项错误，大炮反冲速度与炮弹速度大小之比为m:M，质量不同则速度不同。答案：C。
2.解析：系统动量守恒，初总动量为零。规定人运动方向为正方向，Mv + mv板 = 0 → 50×2 + 10v板 = 0 → v板 = -10m/s。负号表示方向向后，故滑板反冲速度大小为10m/s，方向水平向后。答案：10m/s，方向水平向后。
3.解析：系统动量守恒，初总动量为零。规定气体喷出方向为正方向，mv气 - M车v车 = 0 → 0.5×10 - 2v车 = 0 → v车 = 2.5m/s。方向与气体喷出方向相反。答案：2.5m/s，方向与气体喷出方向相反。
4.解析：系统动量守恒，初总动量为零。规定气球上升方向为正方向，(M - m)v球 + mv气 = 0 → (4 - 1)×2 + 1×v气 = 0 → 6 + v气 = 0 → v气 = -6m/s。负号表示方向向下，故气体速度大小为6m/s，方向向下。答案：6m/s，方向向下。
5.解析：质量比M /M=2×10 / 4×10 =5，火箭最终速度v=v ln(M /M)=2500×1.609≈4022.5m/s。答案：约4022.5m/s。
6.解析：（1）动量守恒，Mv = MvA + mvB → 3×2 = 3vA + 1×3 → 6 = 3vA + 3 → vA=1m/s，方向与原方向相同；（2）该碰撞不属于反冲现象，反冲现象是“一个物体喷出部分物质”，而碰撞是两个独立物体的相互作用。答案：A的速度为1m/s，方向与原方向相同；不属于反冲现象。
7.解析：（1）动量守恒，M人v人 + M模v模 = 0 → 70v人 + 30×4 = 0 → v人 = -120/70≈-1.71m/s，反冲速度大小约1.71m/s，方向与模块运动方向相反；（2）动能增加量ΔE = M人v人 + M模v模 = ×70×(1.71) + ×30×4 ≈ ×70×2.92 + ×30×16≈102.2 + 240=342.2J。答案：反冲速度约1.71m/s，动能增加量约342.2J。
8.解析：（1）动量守恒，Mv = m v + m v → 10×100 = 3×200 + 7v → 1000 = 600 + 7v → v =400/7≈57.14m/s，方向与原方向相同；（2）该现象属于反冲现象，炮弹炸裂是“一个物体分裂为两部分”，符合反冲现象的定义。答案：m 的速度约为57.14m/s，方向与原方向相同；属于反冲现象。
六、教学反思
亮点之处：本节课以“情境—实验—应用”为核心线索，通过航天科技和生活实例激发学生兴趣，符合高二学生的认知特点；实验设计兼顾定性观察与定量分析，让学生从“直观感受”到“数据验证”逐步理解反冲原理；火箭部分的教学结合我国航天成就，融入情感态度与价值观教育，实现了知识传授与素养培养的统一；例题和练习设计层次分明，覆盖不同难度的反冲问题，有效落实了重难点。
不足分析：在“变质量系统”（火箭）的教学中，部分学生对“质量比”和“自然对数”的应用感到困难，难以理解公式的推导逻辑；相对速度的转化是教学难点，部分学生在涉及“燃气相对火箭的速度”问题时，容易混淆参考系；实验环节中，部分小组对“系统动量守恒的验证”数据处理不够规范，误差分析不够深入。
改进方向：后续教学中，可通过“动画演示”将火箭燃料燃烧的变质量过程分解为多个“小质量喷射”的瞬间，帮助学生理解微元法思想；制作“相对速度转化口诀”（如“对地速度=火箭速度-相对速度”），强化参考系统一的意识；设计“数据处理模板”，明确动量计算、误差分析的步骤，规范实验操作；增加“小组合作探究”的时间，让学生在交流中解决相对速度和变质量问题的困惑；课后通过线上答疑和拓展资料推送，满足不同层次学生的学习需求，提升教学效果。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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