1.6 反冲现象 火箭(教学设计)高中物理新教材同步备课(人教版选择性必修第一册)
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6反冲现象火箭一、反冲现象1.定义一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分,一部分向某一个方向运动,另一部分必然向相反的方向运动的现象.2.特点(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,由于有其他形式的能转变为机械能,所以系统的总动能增加.3.反冲现象的应用及防止(1)应用:农田、园林的喷灌装置是利用反冲使水从喷口喷出时,一边喷水一边旋转.(2)防止:用枪射击时,由于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.两位同学在公园里划船,租船的时间将到,他们把小船划向码头.当小船离码头大约1.5 m左右时,有一位同学心想:自己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.于是她纵身一跳,结果却掉到了水里(上图),她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢?提示:这位同学与船组成的系统在不考虑水阻力的情况下,所受合外力为零,在她跳前后遵循动量守恒定律.她在跳出瞬间,船也要向后运动.故该同学相对于地的速度小于她在体育课上立定跳远时相对于地的速度,从而掉到水里.二、火箭1.火箭的工作原理利用反冲运动,火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾喷管迅速喷出时,使火箭获得巨大的速度.2.影响火箭获得速度大小的因素(1)喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度约为2 000~4 000 m/s.(2)质量比:指火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比.喷气速度越大,质量比越大,火箭获得的速度越大.2011年11月1日清晨5时58分10秒,中国“长征二号F”遥八运载火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场点火发射,火箭将“神舟八号”飞船成功送入近地点200千米、远地点330千米的预定轨道.如图所示为“神舟八号”发射过程中的几个瞬间,图甲是火箭点火开始飞行的瞬间,图乙是助推器分离的瞬间,图丙是火箭一、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,当燃尽了全部推进剂以后,就被丢弃并点燃第二级火箭……那么,为什么火箭要这样分级制造呢?提示:分级火箭有利于提高火箭的最终速度.考点一对反冲现象的理解1.反冲现象的特点及其遵循的规律(1)特点①物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动.②反冲运动中,由于有其他形式的能转变为机械能,所以系统的总动能增加.(2)反冲运动中,以下三种情况均可应用动量守恒定律解决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,可以在该方向上应用动量守恒定律.①内力的存在不会改变系统的动量,但内力做功往往会改变系统的总动能.②反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的总动能增加.反冲运动是作用力和反作用力都做正功的典型事例.2.分析反冲运动应注意的问题(1)速度的反向性问题对于原来静止的整体,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,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应取负值.(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.由于动量守恒定律中要求速度为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后,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.【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(相对地面),设火箭质量M=300 kg,发动机每秒喷气20次.求当第三次气体喷出后,火箭的速度多大?【审题指导】本题考查反冲运动过程中的动量守恒,解题时应注意火箭动量的变化及动量的方向.【解析】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.第一次气体喷出后,火箭速度为v1,有(M-m)v1-m v=0,所以v1=m vM-m;第二次气体喷出后,火箭速度为v2,有(M-2m)v2-m v=(M-m)v1,所以v2=2m vM-2m;第三次气体喷出后,火箭速度为v3,有(M-3m)v3-m v=(M-2m)v2,所以v3=3m vM-3m=3×0.2×1 000300-3×0.2m/s≈2 m/s.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,以火箭和喷出三次气体为研究对象,据动量守恒定律,得(M-3m)v3-3m v=0,所以v3=3m vM-3m≈2 m/s.【答案】 2 m/s(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.反冲物体速度的方向与原物体的运动方向是相反的.将质量为1.00 kg的模型火箭点火升空,50 g燃烧的燃气以大小为600 m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出.在燃气喷出后的瞬间,火箭的动量大小为(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)(A)A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/sC.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s解析:燃气从火箭喷口喷出的瞬间,火箭和燃气组成的系统动量守恒,设燃气喷出后的瞬间,火箭的动量大小为p,根据动量守恒定律,可得p-m v0=0,解得p=m v0=0.050 kg×600 m/s=30 kg·m/s,选项A正确.考点二“人船模型”问题的处理1.“人船模型”问题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.处理“人船模型”问题的关键(1)利用动量守恒,确定两物体速度关系,再确定两物体通过的位移的关系.用动量守恒定律求位移的题目,大都是系统原来处于静止状态,然后系统内物体相互作用,此时动量守恒表达式经常写成m 1v 1-m 2v 2=0的形式,式中v 1、v 2是m 1、m 2末状态时的瞬时速率.此种状态下动量守恒的过程中,任意时刻的系统总动量为零,因此任意时刻的瞬时速率v 1和v 2都与各物体的质量成反比,所以全过程的平均速率也与质量成反比,即有m 1v 1-m 2v 2=0.如果两物体相互作用时间为t ,在这段时间内两物体的位移大小分别为x 1和x 2,则有m 1x 1t -m 2x 2t =0,即m 1x 1-m 2x 2=0.(2)解题时要画出各物体的位移关系草图,找出它们各自相对地面位移的关系.【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.【审题指导】【解析】 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v 人,船的平均速度为v 船,根据动量守恒有m v 人-M v 船=0设人的位移为x 人,船的位移为x 船,则m x 人t -M x 船t =0 而x 人+x 船=l联立可得x 船=mM +m l =60120+60×3 m =1 m.【答案】 1 m“人船模型”的特点(1)“人”走“船”走,“人”停“船”停;(2)x 人=M M +m l ①,x 船=mM +m l ②,x 人,x 船的大小与人运动的时间和运动状态无关;(3)上①式比上②式得x 人x 船=Mm ,在系统满足动量守恒的方向上,人、船的位移与质量成反比.载人气球静止于高h 的空中,气球的质量为M ,人的质量为m ,若人沿绳梯滑至地面,则绳梯至少为多长?答案:M +mM h解析:画出气球和人的位移示意图→利用平均动量守恒定律求解气球和人原来静止在空中,说明系统所受合外力为零,故系统在人下滑过程中动量守恒,人着地时绳梯至少应接触地面,设绳梯长为L ,人沿绳梯滑至地面,人的位移为x 人,球的位移为x 球,它们的位移状态图如图所示,由平均动量守恒有:0=Mx 球-mx 人,又有x 球+x 人=L ,x 人=h ,故L =M +mM h .学科素养提升爆炸问题炸弹的爆炸、原子核的裂变等都是同类问题,其实质为内力远大于外力,系统动量守恒,动能增加.爆炸和碰撞的异同【典例】一枚质量为m的手榴弹,在空中某点运动速度的大小为v,方向沿水平方向.手榴弹在该点突然炸裂成两块,质量为m1的一块沿v的反方向飞去,速度大小为v1,求另一块炸裂后的速度v2.【解析】爆炸前,可认为手榴弹是由质量为m1和m-m1的两块弹片组成的.手榴弹爆炸的过程,可看作是这两块弹片相互作用的过程.由于两块弹片所受的爆炸力远大于它们受到的重力,所以满足动量守恒定律.两块弹片在炸开前(初状态)的总动量是m v,炸开后(末状态)的总动量为-m1v1+(m-m1)v2.根据动量守恒定律有m v=-m1v1+(m-m1)v2所以v2=m v+m1v1m-m1,方向与v相同.【答案】m v+m1v1m-m1,方向与v相同对于爆炸类问题,由于相互作用力是变力,用牛顿运动定律求解非常复杂,甚至根本就无法求解,但用动量守恒定律求解时,只需要考虑过程的始末状态,而不需要考虑过程的具体细节,这正是用动量守恒定律求解问题的优点.类题试解有一大炮竖直向上发射炮弹,炮弹的质量为m′=6.0 kg(内含炸药的质量可以忽略不计),射出的初速度v0=60 m/s.当炮弹到达最高点时爆炸为沿水平方向运动的两片,其中一片质量为m=4.0 kg.现要求这一片不能落到以发射点为圆心,以R=600 m为半径的圆周范围内,则刚爆炸完时两弹片的总动能至少多大?(g取10 m/s2,忽略空气阻力) 【解析】设炮弹上升到达最高点的高度为H,根据匀变速直线运动规律,有v20=2gH.设质量为m的弹片刚爆炸后的速度为v1,另一块的速度为v,根据动量守恒定律有m v1+(m′-m)v=0.设质量为m的弹片恰好落到该圆周上,它运动的时间为t,根据平抛运动规律有H=12gt2,R=v1t.炮弹刚爆炸后,两弹片的总动能E k=12m v21+12(m′-m)v2.解以上各式得E k=12·m′mR2g2 (m′-m)v20.代入数值得E k=6.0×104 J.【答案】 6.0×104 J1.(多选)下列属于反冲运动的是(ACD)A.喷气式飞机的运动B.直升机的运动C.火箭的运动D.反击式水轮机的运动解析:反冲运动是一个物体分裂成两部分,两部分朝相反的方向运动,故直升机不是反冲运动.2.(多选)下列哪些措施有利于增加喷气式飞机的飞行速度(AC)A.使喷出的气体速度增大B.使喷出的气体温度更高C.使喷出的气体质量更大D.使喷出的气体密度更小3.假设一个人静止于完全光滑的水平冰面上,现欲离开冰面,下列方法中可行的是(D)A.向后踢腿B.手臂向后甩C.在冰面上滚动D.脱下外衣水平抛出解析:人向后踢腿或甩手,整体总动量为0,腿和手停止运动,身体便停止运动,不会运动起来,故A、B错误;因为是完全光滑的水平冰面,没有摩擦力,人是滚不了的,故C错误;把外衣抛出,人会获得一个反向的速度,可以离开冰面,故D正确.4.运送人造地球卫星的火箭开始工作后,火箭做加速运动的原因是(B)A.燃料燃烧推动空气,空气反作用力推动火箭B.火箭发动机将燃料燃烧产生的气体向后推出,气体的反作用力推动火箭C.火箭吸入空气,然后向后推出,空气对火箭的反作用力推动火箭D.火箭燃料燃烧发热,加热周围空气,空气膨胀推动火箭解析:火箭工作的原理是利用反冲运动,火箭燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾喷管迅速喷出时,使火箭获得反冲速度,故选B项.5.(多选)一人从泊在码头边的船上往岸上跳,若该船的缆绳并没拴在码头上,则下列说法中正确的有(AB)A.船越轻小,人越难跳上岸B.人跳跃时相对船速度大于相对地速度C.船越重越大,人越难跳上岸D.人跳时相对船速度等于相对地速度解析:船越轻小,船的反冲速度越大,人获得的速度反而越小,人船相对反向运动,因此人跳跃时相对船的速度大于相对地的速度,故A、B正确.莘莘学子,最重要的就是不要去看远方模糊的,而要做手边清楚的事。
6反冲现象火箭[学习目标] 1.了解反冲现象及反冲现象在生活中的应用(难点)。
2.理解火箭的飞行原理,能够应用动量守恒定律分析火箭飞行的问题(重点)。
3.掌握“人船”模型的特点,并能运用动量守恒定律分析、解决相关问题(重难点)。
4.能运用动量守恒定律解决“爆炸问题”。
一、反冲现象的理解与应用1.定义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的方向运动的现象。
2.规律:反冲运动中,相互作用力一般较大,满足动量守恒定律。
3.反冲现象的应用及防止(1)应用:农田、园林的喷灌装置利用反冲使水从喷口喷出时,一边喷水一边旋转。
(2)防止:用枪射击时,由于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。
只有系统合外力为零时,反冲运动才能用动量守恒定律来分析,这种说法是否正确?答案不正确。
在反冲运动中,即使系统所受合外力不为零,因内力远大于外力,外力可以忽略,也可用动量守恒定律来解释。
1.反冲运动的三个特点(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。
(2)反冲运动中,系统不受外力或内力远大于外力,遵循动量守恒定律或在某一方向上动量守恒。
(3)反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的机械能增加。
2.讨论反冲运动应注意的两个问题(1)速度的方向性:对于原来静止的整体,可任意规定某一部分的运动方向为正方向,则反方向运动的另一部分的速度就要取负值。
(2)速度的相对性:反冲问题中,若已知相互作用的两物体的相对速度,将各速度转换成相对同一参考系的速度,再列动量守恒方程。
(1)反冲运动是相互作用的物体之间的作用力与反作用力产生的效果。
(√)(2)反冲运动的原理既适用于宏观物体,也适用于微观粒子。
( √ ) (3)一切反冲现象都是有益的。
( × )例1 狙击枪重M =8 kg ,射出的子弹质量m 为20 g ,若子弹射出枪口时的速度为v =1 000 m/s ,不计人对枪的作用力,则枪的后退速度v ′是多大?答案 2.5 m/s解析 子弹和枪组成的系统动量守恒,以子弹的速度方向为正方向。
《反冲现象火箭》教学设计一、教材分析本节内容在《选择性必修第一册》教材中的编排体现了物理学科核心素养中的科学观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任。
本节课程成是在学生学习了动量守恒定律以后,将其应用在实际生活中的一种典型的物理现象,学生通过观看演示实验从中体会反冲现象,知道反冲现象的本质是系统动量守恒,并且能够对反冲现象进行定量的运算是本节课程的主要意义所在。
二、学情分析学生通过前一节的学习,已经掌握了动量、冲量、动量定理、动量守恒定律的相关知识,本节课是动量守恒定律在实际生活中的一种具体应用。
本节课还要培养学生建模的能力、培养学生的运动与相互作用观和能量观,学生需要利用动量守恒定律对具体问题进行定性分析和定量计算,通过本章已学过的知识会解释生产生活中的实际问题。
了解我国古代对于火箭的发明和我国的现代火箭技术已跨入世界的先进性,激发学生爱国主义情感和民族自豪感。
三、教学目标1.通过实验认识反冲现象;2.从受力和动量视角对反冲现象的本质进行分析;3.探究提高火箭的发射速度的方法;4.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。
四、教学重难点教学重点:如何应用动量守恒定律分析、解释反冲运动。
教学难点:动量守恒定律对反冲运动进行定量计算。
五、教学策略教学方法:通过启发式讲授引导学生自主学习、小组合作讨论,最后在教师的引导下总结归纳,梳理并构建自己的知识框架,完成教学的目标。
教学器材和媒体:充分利用器材,反冲演示器、小车、气球,通过实验,直观的感受反冲现象。
利用PPT为学生提供必需的感性素材,培养学生建模的能力和利用动量守恒定律对具体问题进行定性分析和定量计算,在解释生产生活中的实际问题中让学生认识到科技技术发展的重要性。
六、教学流程图七、教学过程教学环节与教学内容教师活动学生活动设计意图新课引入【引入新课】观看神舟十三号载人飞船发射视频思考:你知道载人飞船是怎么发射升空的吗?飞船升空时体现了什么物理原理?学生观看视频学生猜测可能是反冲运动回顾已有知识,引入新知识通过实验,总结反冲现象的概念和特点【动手实验】气球动力小车器材:小车和气球思考:当向前喷气的时候,为什么小车会往后运动?引导学生从以下方面进行分析:受力角度与动量角度【实验过程】将气球吹起来,用手捏住气球的通气口,然后突然放开,让气体喷出,观察小车的运动。
§1-6 反冲现象火箭一、学习目标1.知道反冲运动的原理,会应用动量守恒定律解决有关反冲运动的问题.2.知道火箭的原理及其应用.二、学习过程【问题探究】点燃“窜天猴”的药捻,“窜天猴”向下喷出气体,同时“窜天猴”飞向高空.结合该实例,回答下列问题:(1)反冲运动的物体受力有什么特点?(2)反冲运动过程中系统的动量、机械能有什么变化?【答案】(1)物体的不同部分受相反的作用力,在内力作用下向相反方向运动.(2)反冲运动中,相互作用的内力一般情况下远大于外力,所以系统的动量守恒;反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的机械能增加.【知识点1】反冲现象1.定义: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的方向运动的现象.2.规律:反冲运动中,相互作用力一般较大,满足动量守恒定律.3.反冲现象的应用及防止(1)应用:农田、园林的喷灌装置利用反冲使水从喷口喷出时,一边喷水一边旋转.(2)防止:用枪射击时,由于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.例题1、下列属于反冲现象的是()A.乒乓球碰到墙壁后弹回B.直升飞机上升C.用力向后蹬地,人向前运动D.章鱼向某个方向喷出水,身体向相反的方向运动【答案】D【详解】A.乒乓球碰到墙壁后弹回是因为受到了墙壁的作用力,不是反冲,A错误;B.直升飞机是利用空气的浮力上升的,不属于反冲运动,B错误;C.用力向后蹬地,人向前运动,是人脚与外部地面的作用,不属于反冲,C错误;D.章鱼向某个方向喷出水,身体向相反的方向运动,章鱼向某个方向喷水时,章鱼受到沿喷水方向相反的作用力,向喷水的反方向运动,二者相互作用力是系统内力,是反冲现象,D正确。
故选D 。
例题2、一只质量为2.8公斤的章鱼吸入0.2kg 的水,静止在水中,遇到危险时,它在极短的时间内把吸入的水向后完全喷出,以2.5m/s 的速度向前逃窜。
第5节弹性碰撞和非弹性碰撞导学案【学习目标】1.通过实验认识反冲运动,能举出反冲运动的实例,知道火箭的发射是反冲现象。
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。
【学习重难点】1.教学重点:如何应用动量守恒定律分析、解决反冲运动。
2.教学难点:动量守恒定律对反冲运动进行定量计算。
【知识回顾】1.动量守恒定律(1)内容如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为零,这个系统的总动量保持不变。
(2)表达式对两个物体组成的系统,常写成:p1+p2=p1′+p2′或m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′(3)适用条件系统不受外力或者所受外力之和为零。
【自主预习】一、反冲现象1.实例分析发射炮弹时,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,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。
炮身的这种后退运动叫作反冲。
2.特点(1)物体的不同部分在__内力__作用下向相反方向运动。
(2)反向运动中,相互作用力一般较大,通常可以用__动量守恒定律__来处理。
3.反冲现象的应用及防止(1)应用:农田、园林的喷灌装置是利用反冲,使水从喷口喷出时一边喷水一边__旋转__。
(2)防止:用枪射击时,由于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。
二、火箭1.工作原理:应用了反冲的原理,火箭靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的__速度__。
2.影响火箭获得速度大小的因素:(1)喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度通常为2 000~5 000 m/s 。
(2)火箭获得的速度大小:Δv =-Δm mu ,式中Δm 为Δt 时间内__喷射燃气__的质量,m 为喷出燃气后__火箭__的质量,u 为喷出的__燃气__相对喷气前火箭的速度。
《1.6 反冲现象火箭》教学设计一、核心素养要求1.物理观念:能结合动量守恒定律对反冲现象做出解释,培养学生的运动与相互作用观和能量观;2.科学思维:培养学生物理建模的思维,学会从多角度分析物理问题,培养学生科学严谨的逻辑思维,进一步提高学生运用动量守恒定律分析和解决实际问题的能力3.科学探究:通过情景让学生从日常生活的现象中提出问题,运用所学知识进行科学解释4.科学态度与责任: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,增强学生将科学服务于人类的社会责任感和使命感,激发学生的爱国情怀二、学情分析知识上,学习本节之前,学生已学习了冲量、动量及动量守恒等知识,但对动量守恒的应用还不太熟悉,不能很好地把动量守恒的知识与生活现象联系起来,因此在教学中要充分利用学生的自身经验和已有知识,加以引导,使学生积极主动地参与教学过程。
认知上,学生虽然在日常中接触过反冲现象,但大多是感性认识,而且反冲运动的受力主要是内力,分析起来比较抽象,所以学生往往在此陷入认知困境,因此要充分利用学生已有的感性认识,在此基础上展开教学。
心理上,高中学生对物理有着较强的因果认知兴趣,他们不满足于单纯的实验现象,而是希望通过自己的思考来理解现象产生的原因,并自己总结出其中规律。
因此,在教学中,教师应充分设问,引发学生思考,激发学生的认知兴趣,充分调动学生学习的积极性和自主性。
三、教材分析本节选自高中物理选择性必修第一册第一章第6节,知识结构相对简单,但内容是对本章知识的巩固和知识的实际运用,尤其是对动量守恒定律知识的复习。
学生在前面章节中学习了动量及动量守恒定律,并能够对一些物理模型进行简单的分析,但一旦涉及到具体的问题,难免会束手无策。
所以本节知识的地位非常重要,即是对本章所学知识的总结,也是物理知识在实际生活中的运用。
四、教学重难点教学重点:如何运用动量守恒定律分析、解决反冲运动教学难点:运用动量守恒定律对反冲运动进行定量计算五、教学时长1课时六、教学方法讨论法、讲授法、实验法七、教学思路八、教学过程教学环节教学内容学生活动设计意图新课引入观看演示实验视频把气球吹满气,猛一松手,会出现什么现象呢?学生观看视频思考问题培养学生归纳总结的能力,通过对生活中实际现象的观察,引发学生的思考,同时激发学生的学习兴趣,引入新课实验现象模型构建规律探究数学推导实际应用反冲现象提出问题:以下运动具有哪些共同点?引导学生从以下方面进行分析:(1)受力角度:内力远大于外力(2)动量角度:问题一:系统的初动量多少问题二:系统动量是否守恒总结上述现象的特点(1)系统内力远远大于外力,系统动量守恒。
第一章动量守恒定律
第6节反冲现象火箭
本节课程成是在学生学习了动量守恒定律以后,将其应用在实际生活中的一种典型的物理现象,学生通过观看演示实验从中体会反冲现象,知道反冲现象的本质是系统动量守恒,并且能够对反冲现象进行定量的运算是本节课程的主要意义所在。
【物理观念】能结合动量守恒定律对反冲现象做出解释;
【科学思维】进一步提高运用动量守恒定律分析和解决实际问题的能力
【科学探究】通过演示视频,探究实验中的物理关系,分析得到什么是反冲运动,知道反冲运动的本质,并具备对反冲类问题进行定量运算的能力。
【科学态度与责任】通过介绍我国成功地研制和发射长征系列火箭的事实,结合我国古代对于火箭的发明和我国的现代火箭技术已跨入世界先进先烈,激发学生热爱社会主义的情感。
【教学重点】如何应用动量守恒定律分析、解决反冲运动。
【教学难点】动量守恒定律对反冲运动进行定量计算。
一、【引入新课】
思考:
你知道章鱼、乌贼是怎样游动的吗?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。
章鱼能够调整喷水的方向,这样可以使得身体向任意方向前进。
章鱼游动时体现了什么物理原理?
下列哪些是反冲运动,并且符合动量守恒定律
孔明灯火箭弹
沙漏
二、【进行新课】
探究点一、反冲现象
做一做:
1.把一个气球吹起来,用手捏住气球的通气口(图甲),然后突然放开,让气体喷出,观察气球的运动。
2.如图乙,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。
反冲现象:
定义: 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)
反冲运动的特点:①.物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动
②内力远大于外力(或在某一方向上内力远大于外力),系统动量守恒或在某一方向动量守恒。
③机械能增加
反冲运动的理论依据
反冲运动和碰撞、爆炸相似,相互作用力一般很大,一般满足内力>>外力,所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。
探究点二、火箭
古代火箭现代火箭火箭结构图
现代火箭的知识
作用:发射洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船.
原理:利用反冲运动.
结构:为了提高速度,实行多级(不超过四级)火箭发射.
思考与讨论:
质量为m 的人在远离任何星体的太空中,与他旁边的
飞船相对静止。
由于没有力的作用,他与飞船总保持相对静止的状态。
这个人手中拿着一个质量为∆m 的小物体。
现在他以相对于飞船为u 的速度把小物体抛出(图)。
1. 小物体的动量改变量是多少?
2. 人的动量改变量是多少?
3. 人的速度改变量是多少?
思考与讨论中所描述的情境与火箭发射的原理大致相同。
设火箭飞行时在极短的时间∆t内喷射燃气的质量是∆m,喷出的燃气相对喷气前火箭的速度是u,喷出燃气后火箭的质量是m。
我们就可以计算火箭在这样一次喷气后增加的速度∆v。
以喷气前的火箭为参考系。
喷气前火箭的动量是0,喷气后火箭的动量是m∆ v,燃气的动量是∆ mu。
根据动量
守恒定律,喷气后火箭和燃气的总动量仍然为0,所以:m∆ v +∆ mu =0
解出:∆ v =-
u m m
上式表明,火箭喷出的燃气的速度u 越大、火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比越大,火箭获得的速度∆ v就越大。
科学漫步
三级火箭
现代火箭发动机的喷气速度通常在 2 000 ~5 000 m/s,近期内难以大幅度提高。
因此,若要提高火箭的速度,需要在减轻火箭本身质量上下功夫。
火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比叫作火箭的质量比。
这个参数一般小于10,否则火箭结构的强度就有问题。
但是,这样的火箭还是达不到发射人造地球卫星的7.9 km/s 的速度。
为了解决这个问题,科学家提出了多级火箭的概念。
把火箭一级一级地接在一起,第一级燃料用完之后就把箭体抛弃,减轻负担,然后第二级开始工作,这样一级一级地连起来,理论上火箭的速度可以提得很高(图)。
但是实际应用中一般不会超过四级,因为级数太多时,连接机构和控制机构的质量会增加很多,工作的可靠性也会降低
我国自1956 年建立了专门的航天研究机构到现在,火箭技术有了长足的发展。
截至2017 年底,已经完成近300 次各种卫星的发射任务,成功地实现了载人航天飞行,并在国际航天市场占有一席之地(图)。
我国的火箭技术已经跨入了世界先进行列。
课堂重点知识小结
1. 知道什么是反冲运动
2.反冲运动的特点:1).物体原先静止
2).内力作用下一分为二
3).两部分运动方向相反
3.原理:动量守恒定律
4.了解火箭构造和原理,知道影响火箭的因素
随堂练习
例1、(单选)如图所示,相同的平板车A、B、C成一直线静止在水平光滑的地面上,C车上站立的小孩跳到B车上,接着又立刻从B车上跳到A车上。
小孩跳离C车和B车的水平速度相同,他跳到A车上后和A车相对静止,此时三车的速度分别为v A、v B、v C,则下列说法正确的是()。
A.v A=v C B.v B=v C
C.v C>v A>v B D.B车必向右运动
【正确答案】:C
【详细解析】人与C,mv0-m C v C=0,v C=
C
m
v
m
;人与B,由动量守恒知,v B=0;人与A,有mv0=(m
+m A)v A,v A=
v
m
m
m
A
,所以有v
C
>v A>v B,C项正确。
例2、(单选)下列关于反冲运动的说法中,正确的是()
A.抛出物体的质量要小于剩下物体的质量才能获得反冲
B.若抛出物体A的质量大于剩下物体B的质量,则B受的反冲力大于A所受的力
C.反冲运动中,牛顿第三定律适用,但牛顿第二定律不适用
D.对抛出部分和剩余部分,牛顿第二定律都适用
【正确答案】:D
【详细解析】:反冲运动中并没有确定两部分物体之间的质量关系,故选项A错误。
在反冲运动中,两部分物体之间的作用力是一对作用力与反作用力,由牛顿第三定律可知,它们大小相等、方向相反,故选项B错误。
在反冲运动中,一部分物体受到的另一部分物体的作用力产生了该部分的加速度,使该部分的速度逐渐增大,在此过程中,对每一部分牛顿第二定律都适用,故选项C错误,选项D正确。
例3、(多选)下列说法中正确的是()
A.火箭靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度
B.体操运动员在着地时屈腿是为了减小地面对运动员的作用力
C.用步枪射击时要用肩部抵住枪身是为了减少反冲的影响
D.为了减轻撞车时对司乘人员的伤害程度,发动机舱越坚固越好
【正确答案】:ABC
【详细解析】:火箭靠喷出气流,通过反冲获得前进的动力,从而获得巨大速度,A正确;体操运动员在着地时屈腿是为了延长作用时间来减小地面对运动员的作用力,B正确;用步枪射击时要用肩部抵住枪身是为了减少反冲的影响,C正确;为了减轻撞车时对司乘人员的伤害程度,需要延长碰撞的时间,减小作用力,所以发动机舱不能太坚固,D错误。