资源简介

1.6　反冲
【学习目标】
1.通过任务1及其活动，知道反冲运动及其原理，并能对反冲运动的一些实例进行分析。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动，知道火箭的发射原理，了解火箭获得的速度与哪些因素有关，掌握火箭发射过程遵循的物理规律。(科学思维、科学态度与责任)
【自主预习】
思考并回答问题。
思考1：两位同学在公园里划船，当小船离码头1.5 m左右时，有一位同学心想：我在体育课上立定跳远的成绩从未低于2 m，跳到岸上绝对没有问题。于是他纵身一跃，结果却掉在水里。他为什么不能如他想的那样跳上岸呢 (不计水的阻力)

思考2：一架喷气式飞机(如图)飞行的速度是800 m/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

正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)图1所示喷灌装置的自动旋转利用了反冲原理。 (　　　)
(2)图2所示章鱼在水中前行和转向利用了反冲原理。 (　　　)
(3)图3所示运载火箭发射过程，推力来源于空气对火箭的反作用力。 (　　　)
(4)图4所示码头边轮胎的保护作用利用了反冲原理。 (　　　)
【合作探究】
任务1　反冲现象
如图所示，将铝箔卷成一个细管，一端封闭，另一端留一个很细的口，管内装有从火柴头上刮下的药粉，把细管放在支架上，用火柴或其他办法给细管加热，当管内药粉点燃时，生成的燃气从细口迅速喷出，细管便向相反的方向飞去。
1.为什么燃气和细管的运动方向会相反


2.反冲运动与一维碰撞过程中机械能的变化有什么不同 还有其他不同点吗


1.反冲现象
反冲：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①　　　的方向运动，这个现象叫作反冲。
在反冲过程极短时间内，系统②　　　或③　　　为零，遵循动量守恒定律。
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④　　　、⑤　　　，而它们的速率与质量成⑥　　　。
4.反冲运动的应用及防止
应用：农田、园林的喷灌装置是利用反冲使水从喷口喷出的，从而一边喷水，一边旋转。
防止：用步枪射击时，由于枪身向后发生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上，以减小反冲运动的影响。
活动　问题讨论
小车上装有一桶水，静止在光滑水平地面上，如图所示，桶的前、后、底及侧面各装有一个阀门，分别为S1、S2、S3、S4(S4图中未画出)。则要使小车向前运动，可采用什么方法
应用1　人船模型
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l=3 m，则船在水中移动的距离是多少 (水的阻力不计)
【归纳总结】
　　“人船模型”的特点
(1)“人”走“船”走，“人”停“船”停。
(2)x人=l①，x船=l②，x人、x船的大小与人的运动时间和运动状态无关。
(3)让①式比上②式得=，在系统满足动量守恒的方向上，人、船的位移与质量成反比。
应用2　爆炸问题
在某次军演时，一炮弹由地面斜向上发射，假设当炮弹刚好到最高点时爆炸，炸成P、Q两部分，其中P的质量大于Q。已知爆炸后P的运动方向与爆炸前的运动方向相同，假设爆炸后瞬间P、Q的速度方向均沿水平方向，忽略空气的阻力，则下列说法正确的是 (　　　)
A.爆炸后Q的运动方向一定与P的运动方向相同
B.爆炸后Q比P先落地
C.Q的落地点到爆炸点的水平距离大
D.爆炸前后P、Q动量的变化量大小相等
【归纳总结】
爆炸与碰撞的比较
爆炸碰撞
相同点 过程 特点 都是物体间的相互作用突然发生，相互作用的力为变力，作用时间很短，平均作用力很大，且远大于系统所受的外力，所以可以认为碰撞、爆炸过程中系统的总动量守恒
过程 模型 由于碰撞、爆炸过程相互作用的时间很短，作用过程中物体的位移很小，一般可忽略不计，因此可以把作用过程看作一个理想化过程来处理，即作用后物体仍从作用前瞬间的位置以新的动量开始运动
不同点 动能 情况 有其他形式的能转化为动能，动能会增加 弹性碰撞时动能不变，非弹性碰撞时产生内能，总动能减小
任务2　火箭的发射
飞船发射过程中的几个瞬间如图所示，图1是火箭点火开始飞行的瞬间，图2是助推器分离的瞬间，图3是火箭一、二级分离的瞬间。现代使用的航天火箭几乎都分成几级。在使用时，总是让第一级火箭先燃烧，在燃尽了全部推进剂以后，就被丢弃并点燃第二级火箭……
1.说说火箭的发射原理。

2.假设火箭的初始质量为M，发动机熄火(推进剂用完)时的质量为m，二者之比被称为火箭的质量比，是火箭的一个重要性能参数，你能简要分析质量比对火箭的意义吗

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的速度。
2.影响火箭获得的速度大小的因素：
火箭⑦　　　与⑧　　　之比越大，喷气速度越⑨　　　，火箭获得的速度越大。
应用　计算火箭的速度大小
一火箭喷气发动机每次喷出m=200 g的气体，气体被发动机喷出时的速度v=1 000 m/s(相对地面)，设火箭质量M=300 kg，发动机每秒喷气20次。求在第三次将气体喷出后，火箭的速度大小。
【归纳总结】
关于火箭发射的几个问题
1.火箭的工作原理
火箭工作利用了反冲原理，是动量守恒定律的重要应用，这类问题可选取火箭本身和在相互作用的时间内喷出的全部气体为研究对象，发射火箭时，火箭推进剂燃烧，从尾部喷出的气体具有很大的动量，根据动量守恒定律可知，火箭获得大小相等、方向相反的动量，因而发生连续的反冲现象，随着推进剂的消耗，火箭的质量逐渐减小，速度不断增大，当推进剂燃尽时，火箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行。
2.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，获得相对地面的速度为Δv，由动量守恒定律有mΔv+Δmu=0，得Δv=-u。
3.决定因素
火箭获得的速度取决于燃气喷出相对地面的速度u及喷射燃气的质量与火箭本身质量之比。
4.多级火箭
由于重力的影响，单级火箭达不到发射人造地球卫星所需要的速度(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。
【随堂检测】
1.(任务1)某人站在冰冻河面的中央，想到达岸边，若冰面是完全光滑的，则下列方法可行的是 (　　　)
A.步行
B.挥动双臂
C.在冰面上滚动
D.脱去外衣抛向岸的反方向
2.(任务1)如图所示，大气球质量为25 kg，载有质量为50 kg的人，静止在空气中距地面20 m高的地方，气球下方悬挂一根质量可忽略不计的绳子，此人想从气球上沿绳慢慢下滑至地面，为了安全到达地面，则绳长至少应为(不计人的高度，可以把人看作质点) (　　　)
A.60 m　　B.40 m　　C.30 m　　D.10 m
3.(任务1)如图所示，水平地面上紧挨着的两个滑块P、Q之间有少量炸药(质量不计)，爆炸后P、Q沿水平地面向左、右滑行的最大距离分别为0.1 m、0.4 m。已知P、Q与水平地面间的动摩擦因数相同，则P、Q的质量之比m1∶m2为 (　　　)
A.4∶1 B.1∶4
C.2∶1 D.1∶2
4.(任务2)某实验小组发射自制水火箭，火箭外壳重2 kg，发射瞬间将壳内质量为4 kg的水相对地面以10 m/s的速度瞬间喷出，已知重力加速度g=10 m/s2，空气阻力忽略不计，火箭能够上升的最大高度为 (　　　)
A. 10 m B. 15 m
C. 20 m D. 25 m
参考答案
自主预习·悟新知
思考1：因为他起跳时和船相互作用，给船一个向后的作用力，船后退，这样他相对于岸的速度就小于起跳时相对于船的速度，因此会掉进水里。
思考2：飞机的速度仍在增加，因为飞机和气体组成的系统动量守恒。
判断　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.当气体从管内喷出时，它具有动量，由动量守恒定律可知，细管会向相反方向运动。一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反方向运动，这个现象叫反冲运动。反冲运动是系统内力作用的结果，虽然有时系统所受的合外力不为零，但由于系统内力远远大于外力，所以系统的总动量是守恒的。
2.一维碰撞的过程中，机械能可能不变，也可能减少，但不会增加；而反冲运动过程中，机械能有时不变，但更多的时候是增加的。其他不同点：反冲运动中一般原来是一个整体，分成两部分，一部分向某一方向运动，根据动量守恒定律，另一部分必定向相反的方向运动；碰撞是两个物体相互靠近的运动，碰撞后两物体可能向同一个方向运动，也可能一个停止，一个运动，也可能向相反的方向运动。
知识生成　①相反　②不受外力　③所受外力矢量和　④大小相等　⑤方向相反　⑥反比
应用探究
活动　【提示】水和车组成的系统动量守恒，原来系统动量为0，由0=m水v水+m车v车知，车的运动方向与水的运动方向相反，故水应向后喷出，打开阀门S2即可。
例1　【解答】选人和船组成的系统为研究对象，由于人从船头走到船尾的过程中，系统动量守恒，人起步前系统的总动量为0，当人加速前进时，船加速后退，人停下来，船也停下来。设人的平均速度为，船的平均速度为，根据动量守恒有m-M=0
设人的位移为x人，船的位移为x船，则m-M=0
而x人+x船=l
联立可得x船=l=×3 m=1 m。
例2　【答案】D
【解析】在爆炸过程中，由于重力远小于内力，系统的动量守恒。爆炸前炮弹在最高点的速度沿水平方向，爆炸后P的运动方向与爆炸前的运动方向相同，根据动量守恒定律判断出Q的速度一定沿水平方向，但爆炸后的运动方向取决于P的动量与爆炸前炮弹的动量的大小关系，因此Q的运动方向不一定与爆炸前的运动方向相同，A项错误；在爆炸过程中，P、Q受到的爆炸力大小相等，作用时间相同，则爆炸力的冲量大小一定相等，由动量定理可知，在炸裂过程中P、Q动量的改变量大小相等、方向相反，D项正确；爆炸后P、Q均做平抛运动，竖直方向做自由落体运动，由于高度相同，飞行时间一定相同，所以P、Q一定同时落地，B项错误；由于爆炸后P、Q速度的大小关系无法判断，因此落地点到爆炸点的水平距离无法确定，C项错误。
任务2
问题引领
1.火箭发射利用了反冲原理，火箭发射时，尾管向后喷出高速气体，气体对箭体产生向前的推力，火箭获得向前的动量。
2.设火箭向后喷出气体的速率为v，喷出气体的质量Δm=M-m，火箭获得的速度为v'，根据动量守恒定律，有(M-m)v=mv'，解得v'=v，可知，对于某一型号的火箭，在喷出相同速率的气体时，火箭的质量比越大，最终火箭获得的速率也就越大。
知识生成　⑦喷出物质的质量　⑧火箭本身质量　⑨大
应用探究
例3　【解答】方法一：喷出气体的运动方向与火箭运动的方向相反，系统动量守恒
第一次气体被喷出后，设火箭速度为v1，有(M-m)v1-mv=0，所以v1=
第二次气体被喷出后，设火箭速度为v2，有(M-2m)v2-mv=(M-m)v1，所以v2=
第三次气体被喷出后，设火箭速度为v3，有(M-3m)v3-mv=(M-2m)v2，所以v3=≈2 m/s。
方法二：选取整体为研究对象，运用动量守恒定律求解
设喷出三次气体后火箭的速度为v3，以火箭和三次喷出的气体为研究对象，根据动量守恒定律，得
(M-3m)v3-3mv=0
所以v3=≈2 m/s。
随堂检测·精评价
1.D　【解析】由于冰面光滑，人在冰面上受到的合力为零，加速度为零，不能步行到达岸边，A项错误；人挥动双臂时，人受到的合力为零，加速度为零，不能到达岸边，B项错误；由于冰面光滑，人在冰面上滚动时摩擦力为零，加速度为零，不可能滚动，不能到达岸边，C项错误；人与衣服组成的系统动量守恒，人脱去外衣抛向岸的反方向，人获得朝向岸边的速度，人可以到达岸边，D项正确。
2.A　【解析】人与气球组成的系统动量守恒，设人的平均速度为v1，气球的平均速度为v2，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，由动量守恒定律得m1v1-m2v2=0，则m1-m2=0，解得s球=2s人=40 m，则绳子长度L=s球+s人=60 m，即绳长至少为60 m，A项正确。
3.C　【解析】爆炸过程中，两滑块动量守恒，取水平向右为正方向，则0=-m1v1+m2v2 ；爆炸之后分别对两滑块运用动能定理可得-μm1gx1=0-m1，-μm2gx2=0-m2，联立解得m1∶m2=2∶1，C项正确。
4.C　【解析】由动量守恒定律有mv1=Mv2，解得v2=20 m/s。由=2gh，解得h=20 m，C项正确。

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