8、火箭原理做小车

教科版科学四年级上册《3.2 用气球驱动小车》教学设计同课异构（一）【教材分析】本课的主要任务是以气球小车实验为载体，让学生经历观察-猜想-实验-分析-推理的思维过程，感受反冲力是如何推动物体运动的，以及哪些因素可能会影响到反冲力的大小。

并把实验现象转化为证据，最后通过对实验现象的理性思考建构更高层次概念。

本课教材围绕本单元“运动和力”的核心概念，设计了2个活动，先是感受气球喷气时所产生的力和气球上升的力，体会力产生的方向和气球运动的方向，试看作出解程；篥二个活动是用气球驱动小车，通过组装一个气球动力小车，测量气球小车能行驶多远，用什么办法使小车行驶得更远，进一步认识运动与力的关系。

反冲力怎样使小车向前运动，又怎样使小车行驶得更远，涉及到的影响因素众多，因此，本课的研充，可以先从一个相对简单的模型开始实验探究，将学生的关注点聚焦到气球大小和喷嘴粗细对气球小车行驶远近的影响上，并通过实验结果，找到一些与研讨问题相对匹配的合理解释。

当然，除了这两个重要因素外，还有很多无法在本节课进行实验探究的其他影响因素，比如小车重量、操作方法、结构组成等，都需要学生通过实验后的推理分析，进行相应的辩证思考和深度论证。

最后将这些研究结果迁移应用到一个相对复杂的情境里【学情分析】生活中，气球是学生所熟悉的玩具。

很多学生都有这样的经历，当吹了气的气球嘴被放开时，气球会飞走。

但是他们可能没有仔细思考过气球运动的方向和喷出气体的方向有怎样的关系。

也不知道如何利用气球喷气时产生的反冲力去驱动小车。

这节课在学生已有生活经验基础上，探讨如何用气球作为动力来驱动小车，符合该学段儿童的认知需求和特点，不但增加了他们对科学这个学科的学习兴趣，还可以进一步加深他们对运动和力的理解。

【核心素养目标】科学观念：1.气球里的气体喷出时，会产生一个和喷出方向相反的推力，这个力叫反冲力。

2.要使静止的物体运动，就要对物体施加力。

反冲力越大，小车行驶得越远。

力学趣味小实验嘿，小伙伴们，今天咱们来聊点好玩的！你们有没有想过，力学这玩意儿，不光书本上有，咱们自己在家也能动手做几个小实验，感受一下科学的魅力？别担心，这些实验既简单又安全，保证让你大开眼界，还能学到不少知识呢！咱们先来个简单的，叫“纸杯承重”。

听起来有点不可思议吧？一个纸杯，能有多大的力气？别急，听我慢慢道来。

你先找一个纸杯，别用那种太薄的，得稍微厚实点。

然后呢，把纸杯的底部剪掉，对，你没听错，就是剪掉。

接下来，用胶带在纸杯的四周粘上四五根筷子，就像给纸杯穿上了“小盔甲”。

好了，现在，你可以试着往这个“改造版纸杯”里放书，一本两本，三本四本……你会发现，它居然能承受好几本书的重量！这是为啥呢？原来啊，是筷子们互相支撑，形成了一个稳定的结构，把重量分散开了。

这就叫“众人拾柴火焰高”，在力学里，咱们叫它“分散承重”。

再来个刺激的，“吸管火箭”。

这个可是孩子们的最爱。

你需要准备一根吸管，一头剪成斜口，就像个小喇叭。

再找一块硬纸板，折个小船，把吸管插在上面。

最后，找个瓶子装点水，别太满，三分之二就行。

把小船放水里，吸管口对着瓶子。

现在，你深吸一口气，对着吸管猛吹，猜猜怎么着？小船就像被火箭推着一样，“嗖”地一下往前冲！这可是利用了空气的力量，也就是气压。

你吹气的时候，吸管里的空气跑得快，外面的空气就想进来，就把小船给推走了。

这简直就是“一口气，跑千里”啊！还有更酷的，“铅笔平衡术”。

这个得考验你的耐心和手感。

拿一根铅笔，竖在桌子上，试试能不能让它稳稳地立住。

刚开始，你可能会觉得这是个不可能的任务，毕竟铅笔那么细，桌子又不平。

但是，别急，你试着用手指轻轻地拨动铅笔，让它稍微转动一下，然后，奇迹出现了！铅笔居然稳稳地立住了！这是因为，铅笔在转动的过程中，找到了一个平衡点，就像咱们有时候说的，“歪打正着”。

在力学里，这叫“静力平衡”，听起来高大上，其实原理很简单。

最后，咱们来个“气球火箭车”。

这个得准备四个气球，一根吸管，还有一辆小车，可以是玩具车，也可以是纸板做的。

四年级上册科学3.1让小车运动起来（同步练习）一、选择题1．在自制组装的小缆车行驶过程中，驱动小车运动的力来自______。

A．挂钩上物体的重力B．小车轮的驱动力C．小车和垫圈的重力2．在研究“小车运动快慢与拉力大小的关系”实验中，如果一辆小车2秒行驶了10厘米，要想让小车3秒行驶10厘米，可以（）。

A．减小载重量B．减小拉力C．加大拉力3．如果垫圈太轻，小车（）。

A．一定能运动起来B．一定能保持静止C．可能保持静止4．抛向空中的皮球最终会落回地面，树上的苹果往下落，水往低处流……这些现象都是因为受到了一个向下的力的作用，这个力就是（）。

A．拉力B．重力C．浮力5．研究小车运动快慢与拉力大小的关系时，拉小车的绳子的长度应该（）。

A．小于桌子的高度B．约等于桌子的高度C．大于桌子的高度6．发现万有引力的科学家是英国的（）。

A．牛顿B．伽利略C．珍妮古道尔7．2021年12月9日15时40分，“天宫课堂”第一课开课，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站进行太空授课。

航天员授课时身体漂浮在空中，这是因为（）。

A．航天员有特殊本领B．失重C．受到反冲力8．以下说法中，正确的是______。

A．自制小缆车挂钩上只挂一个垫圈时，小缆车没运动，这是因为垫圈没有能量B．地面上运动的小车、足球不需要能量也会慢慢停止运动，静止下来C．用橡皮筋能成功驱动小车，这表明拉长了的橡皮筋具有能量9．小明在探究拉力大小与小车运动快慢关系时，发现垫圈数量不够了，所以用10克钩码代替垫圈，他应该（）增加钩码。

A．一个一个加B．多个多个加C．一个和多个都可以10．一个普通鸡蛋的重力大约是（）。

A．0.1N B．0.5N C．1.5N二、填空题11．去游乐场玩跳跳床时，我们可以跳得很高是因为跳跳床产生了( )力，但是跳得再高也会落下来，这是由于受到了( )力的作用。

12．抛向空中的皮球总要落回地面，这是因为受到______________的作用。

6.反冲现象火箭学习目标：1.了解反冲运动和反冲运动在生活中的应用．2.能够应用动量守恒定律解决反冲运动问题．3.知道火箭的飞行原理，了解我国航天技术的发展．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，这个现象叫作反冲．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．利用动量守恒定律解决反冲问题时，速度通常是以地面为参考系的速度，而不是系统内两物体的相对速度．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．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)做反冲运动的两部分的动量一定大小相等，方向相反．(√)(2)章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理．(√)(3)火箭点火后离开地面向上运动，是地面对火箭的反作用力作用的结果．(×)(4)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行．(√)(5)火箭发射时，火箭获得的机械能来自于燃料燃烧释放的化学能．(√)2．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() A．燃料推动空气，空气反作用力推动火箭B．火箭发动机用力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，然后向后排出，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B[火箭工作中，动量守恒，当向后喷气时，则火箭受一向前的推力从而使火箭加速，故只有B正确．]3．(多选)2019年春节上映的国产科幻大片《流浪地球》中有这样的情节：为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机，推动地球离开太阳系，用2 500年的时间奔往另外一个栖息之地．这个科幻情节中有反冲运动的原理．现实中的下列运动，属于反冲运动的有()A．汽车的运动B．直升机的运动C．火箭的运动D．反击式水轮机的运动CD[汽车的运动利用了汽车的牵引力，不属于反冲运动，故A错误；直升机的运动利用了空气的反作用力，不属于反冲运动，故B错误；火箭的运动是利用喷气的方式获得动力的，属于反冲运动，故C正确；反击式水轮机的运动利用了水的反冲作用而获得动力，属于反冲运动，故D正确．]对反冲运动的理解取一只药瓶或一个一端有孔的蛋壳，在其盖上钻一小孔(瓶盖与瓶子需密封)，再取一块厚泡沫塑料，参照图做成船的样子，并在船上挖一凹坑，以容纳盛酒精的容器(可用金属瓶盖)．用两段铁丝，弯成环状以套住瓶的两端，并将铁丝的端头分别插入船中．将一棉球放入容器中，并倒入少量酒精，在瓶中装入半瓶开水．将船放入水中，点燃酒精棉球后一会儿产生水蒸气，当水蒸气从药瓶盖的孔中喷出时，小船便能勇往直前了．小船向前运动体现了什么物理原理？提示：反冲原理．(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动．(2)在反冲运动中，相互作用力一般较大，通常可以用动量守恒定律来处理．(3)在反冲运动中，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．2．反冲运动的应用与防止(1)利用有益的反冲运动反击式水轮机是使水从转轮的叶片中流出，使转轮由于反冲而旋转，从而带动发电机发电；喷气式飞机和火箭都是靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的速度．(2)避免有害的反冲运动射击时，子弹向前飞去，枪身向后发生反冲，这就会影响射击准确性等．3．处理反冲运动应注意的问题(1)速度的方向对于原来静止的整体，抛出部分与剩余部分的运动方向必然相反．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，则反方向的速度应取负值．(2)相对速度问题在反冲运动中，有时遇到的速度是两物体的相对速度．此类问题中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】反冲小车静止放在水平光滑玻璃上，点燃酒精，蒸汽将橡皮塞水平喷出，小车沿相反方向运动．如果小车运动前的总质量M＝3 kg，水平喷出的橡皮塞的质量m＝0.1 kg.(1)若橡皮塞喷出时获得的水平速度v＝2.9 m/s，求小车的反冲速度；(2)若橡皮塞喷出时速度大小不变，方向与水平方向成60°角，小车的反冲速度又如何(小车一直在水平方向运动)?思路点拨：(1)小车和橡皮塞组成的系统所受外力之和为零，系统总动量为零．(2)小车和橡皮塞组成的系统在水平方向动量守恒．[解析](1)以橡皮塞运动的方向为正方向，根据动量守恒定律有m v＋(M－m)v′＝0v′＝－mM－m v＝－0.13－0.1×2.9 m/s＝－0.1 m/s负号表示小车的运动方向与橡皮塞运动的方向相反．(2)以橡皮塞运动的水平分运动方向为正方向，有m v cos 60°＋(M－m)v″＝0v ″＝－m v cos 60°M －m ＝－0.1×2.9×0.53－0.1m/s ＝－0.05 m/s 负号表示小车的运动方向与橡皮塞运动的水平分运动的方向相反．[答案] (1)0.1 m/s ，方向与橡皮塞运动的方向相反(2)0.05 m/s ，方向与橡皮塞运动的水平分运动的方向相反反冲运动和碰撞、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.[跟进训练]1．如图所示，自动火炮连同炮弹的总质量为M ，当炮管水平，火炮车在水平路面上以v 1的速度向右匀速行驶中，发射一枚质量为m 的炮弹后，自动火炮的速度变为v 2，仍向右行驶，则炮弹相对炮筒的发射速度v 0为( )A.m (v 1－v 2)＋m v 2mB.M (v 1－v 2)mC.M (v 1－v 2)＋2m v 2mD.M (v 1－v 2)－m (v 1－v 2)m B [炮弹相对地的速度为v 0＋v 2.由动量守恒定律得M v 1＝( M －m )v 2＋m (v 0＋v 2)，得v 0＝M (v 1－v 2)m.]火箭以飞船为参考系，设小物体的运动方向为正方向，则小物体的动量的改变量为Δp 1＝Δmu对人和小物体组成的系统，在人抛出小物体的过程中动量守恒，则由动量守恒定律得0＝Δp 1＋Δp 2，则人的动量的改变量为Δp 2＝－Δp 1＝－Δmu .设人的速度的改变量为Δv ，因为Δp 2＝m Δv ，则由以上表达式可知Δv ＝－Δmu m .我国早在宋代就发明了火箭，在箭杆上捆一个前端封闭的火药筒，火药点燃后生成的燃气以很大的速度向后喷出，火箭就会向前运动．请思考：(1)古代火箭的运动是否为反冲运动？(2)火箭飞行利用了怎样的工作原理？提示：(1)火箭的运动是反冲运动．(2)火箭靠向后连续喷射高速气体飞行，利用了反冲原理．应用反冲运动，其反冲过程动量守恒．它靠向后喷出的气流的反冲作用而获得向前的速度．2．影响火箭最终速度大小的因素(1)喷气速度：现代火箭发动机的喷气速度约为2 000～5 000 m/s.(2)火箭的质量比：指火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比．现代火箭的质量比一般小于10.喷气速度越大，质量比越大，火箭获得的速度越大．3．火箭喷气属于反冲类问题，是动量守恒定律的重要应用．在火箭运动的过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，对于这一类的问题，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，取相互作用的整个过程为研究过程，运用动量守恒的观点解决问题．【例2】一火箭的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)，设火箭的质量M＝300 kg，发动机每秒喷气20次，求当第三次气体喷出后，火箭的速度为多大？思路点拨：火箭喷气属反冲现象，火箭和气体组成的系统动量守恒，运用动量守恒定律求解．[解析]设喷出三次气体后火箭的速度为v3，以火箭和喷出的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火箭类反冲问题解题要领1．两部分物体初、末状态的速度的参考系必须是同一参考系，且一般以地面为参考系．2．要特别注意反冲前、后各物体质量的变化．3．列方程时要注意初、末状态动量的方向，一般而言，反冲后两物体的运动方向是相反的．[跟进训练]2．总质量为M的火箭以速度v0飞行，质量为m的燃气相对于火箭以速率u向后喷出，则火箭的速度大小为()A．v0＋muM B．v0－muMC．v0＋mM－m(v0＋u) D．v0＋muM－mA[设喷出气体后火箭的速度大小为v，则燃气的对地速度为(v－u)(取火箭的速度方向为正方向)，由动量守恒定律，得M v0＝(M－m)v＋m(v－u)解得v＝v0＋muM，A项正确．]1．下列图片所描述的事例或应用中，没有利用反冲运动原理的是()D[喷灌装置是利用水流喷出时的反冲作用而运动的，章鱼在水中前行和转向利用了喷出的水的反冲作用，火箭发射是利用喷气的方式而获得动力的，利用了反冲运动，故A、B、C不符合题意；码头边轮胎的作用是延长碰撞时间，从而减小作用力，没有利用反冲作用，故D符合题意．]2．质量相等的甲和乙都静止在光滑的水平冰面上．现在，其中一人向另一个人抛出一个篮球，另一人接球后再抛回．如此反复进行几次后，甲和乙最后的速率关系是()A．若甲最先抛球，则一定是v甲>v乙B．若乙最后接球，则一定是v甲>v乙C．只有甲先抛球，乙最后接球，才有v甲>v乙D．无论怎样抛球和接球，都是v甲>v乙B[因甲、乙及篮球组成的系统动量守恒，故最终甲、乙以及篮球的动量之和必为零．根据动量守恒定律有m1v1＝(m2＋m球)v2，因此最终谁接球谁的速度小，故B正确，A、C、D错误．]3．如图所示，装有炮弹的火炮总质量为m1，炮弹的质量为m2，炮弹射出炮口时对地的速率为v0，若炮管与水平地面的夹角为θ，则火炮后退的速度大小为(设水平地面光滑) ()A.m 2m 1v 0B.m 2v 0m 1－m 2C.m 2v 0cos θm 1－m 2D.m 2v 0cos θm 1C [炮弹和火炮组成的系统水平方向动量守恒，0＝m 2v 0cos θ－(m 1－m 2)v ，得v ＝m 2v 0cos θm 1－m 2，选项C 正确．] 4．(多选)质量为m 的人在质量为M 的小车上从左端走到右端，如图所示，当车与地面摩擦不计时，那么( )A ．人在车上行走，若人相对车突然停止，则车也突然停止B ．人在车上行走的平均速度越大，则车在地面上移动的距离也越大C ．人在车上行走的平均速度越小，则车在地面上移动的距离就越大D ．不管人以什么样的平均速度行走，车在地面上移动的距离相同 AD [由于地面光滑，则人与车组成的系统动量守恒得：m v 人＝M v 车，可知A 正确；设车长为L ，由m (L －x 车)＝Mx 车得，x 车＝m M ＋mL ，车在地面上移动的位移大小与人的平均速度大小无关，故D 正确，B 、C 均错误．]。