动量守恒定律的应用(反冲).pdf
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1、第 1 页 动量守恒定律的应用(反冲)【学习目标】1了解什么是反冲运动和反冲运动在生活中的应用;2知道火箭的飞行原理和主要用途;3了解我国航天技术的发展【要点梳理】要点诠释:要点一、反冲运动 1反冲运动 (1)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,另一部分必然向相反的方向运动这个现象叫做反冲 (2)反冲运动的特点: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反冲运动过程中,一般满足系统的合外力为零或内力远大于外力的条件,因此可以运用动量守恒定律进行分析(3)反冲现象的应用及防止:反冲是生活和生产实践中常见的一种现象,在许多场合
2、,反冲是不利的,如大炮射击时,由于炮身的反冲,会影响炮弹的出口速度和准确性为了减小反冲的影响,可增大炮身的阻力但还有许多场合,恰好是利用了反冲,如反击式水轮机是应用反冲而工作的、喷气式飞机和火箭是反冲的重要应用,它们都是靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度的 (4)理解反冲运动与动量守恒定律 反冲运动的产生是系统内力作用的结果,两个相互作用的物体AB、组成的系统,A对B的作用力使B获得某一方向的动量,B对A的反作用力使A获得相反方向的动量,从而使A沿着与B的运动方向相反的方向做反冲运动 实际遇到的动量守恒问题通常有以下三种: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
3、决反冲运动问题 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 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,可以用该方向上动量守恒解决反冲运动问题 (5)在讨论反冲运动问题时,应注意以下几点 速度的反向性 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 质量为M的物体以对地速度v抛出一个质量为m的物体,研究剩余
4、部分对地反冲速度时,设v的方向为正 列出的方程式为 得 由于v为待求速度,事先可不考虑其方向,由计算结果为负值,表示剩余部分的运动方向与抛出部分速度力向相反 由于我们已明确剩余部分与抛出部分反向,因此可直接列出两部分动量大小相等方程即上例可列式为 其中v为剩余部分速率 第 2 页 速度的相对性 反冲运动中存在相互作用的物体间发生相对运动,已知条件中告知的常常是物体的相对速度,在应用动量守恒定律时,应将相对速度转换为绝对速度(一般为对地速度)2火箭 (1)火箭:现代火箭是指一种靠喷射高温高压燃气获得反作用力向前推进的飞行器,是反冲运动的典型应用之一 (2)火箭的工作原理:动量守恒定律 当火箭推进
5、剂燃烧时,从尾部喷出的气体具有很大的动量,根据动量守恒定律,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 (3)火箭飞行能达到的最大飞行速度,主要取决于两个因素:喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度约为2.5 km/s,提高到34 km/s需很高的技术水平 质量比(火箭开始飞行时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比),现代火箭能达到的质量比不超过10 (4)现代火箭的主要用途:利用火箭作为运载工具,例如发射探测仪器、常规弹头和核弹头、人造卫星和宇宙飞船(5)我国的火箭技术已跨
6、入了世界先进行列 要点二、反冲运动的模型 1“人船模型”反冲运动【例】如图所示,长为l、质量为M的小船停在静水中,一个质量为m的人立在船头,若不计水的粘滞阻力,当人从船头走到船尾的过程中,船和人对地面的位移各是多少?【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,系统在水平方向不受外力作用,所以水平方向动量守恒,人起步前系统的总动量为零当人起步加速前进时,船同时向后加速运动;当人匀速前进时,船同时向后匀速运动,当人停下来时船也停止设某一时刻人对地的速度为2v,船对地的速度为1v,选人前进的方向为正方向,根据动量守恒定律有:即:因为在人从船头走到船尾的整个过程中,每一时刻系统
7、都满足动量守恒定律,所以每一时刻人的速度与船的速度之比,都与它们的质量成反比从而可以得出判断:在人从船头走向船尾的过程中,人和船的平均速度也跟它们的质量成反比,即对应的平均动量 而位移 所以有 即 由图可知 解得 “人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题适用条件是:(1)系统由两个物体组成且相互作用前静止,系统总动量为零;(2)在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒(如水平方向或竖直方向),注意两物体的位移是相对同一参照物的位移在解题时要画出各物体的位移关系草图,找出各长度间的关系此类问题也可以根据静止系统不受外力、系统质心位置不变的道理求解 利用这一模型还可以推广到其他问题
8、上来解决大量的实际问题 2火箭的最终速度 火箭的工作原理就是动量守恒定律当火箭推进剂燃烧时,从尾部喷出的气体具有很大的动量,根据动量守恒定律,火箭就获得数值相等、方向相反的动量,因而发生连续的反冲现象随着推进剂第 3 页 的消耗,火箭逐渐减轻,加速度不断增大当推进剂烧尽时,火箭即以获得的速度沿着预定的空间轨道飞行根据动量守恒定律可以推导出单级火箭的最终速度公式(设火箭开始飞行时速度为零):式中u是燃烧气体相对于火箭的喷射速度,0M是火箭开始时的总质量,sM是火箭喷气终了时剩下的壳体及其他附属设备的总质量,0sMM通常称为火箭的质量比 上式是在未考虑空气阻力和地球引力的情况下推导出来的,由于空气
9、阻力和地球引力的影响,火箭速度达不到公式中所给出的数值但从这一公式可以看到提高火箭速度有两个办法,一是提高气体的喷射速度,二是提高质量比而提高喷射速度的办法比提高质量比的办法更有效,但喷射速度的提高也有一定限度【典型例题】类型一、反冲运动中的极值 例 1一个宇航员,连同装备的总质量为:100 kg,在空间跟飞船相距45 m处相对飞船处于静止状态他带有一个装有0.5 kg氧气的贮氧筒,贮氧筒上有一个可以使氧气以50 m/s的相对速度喷出的喷嘴宇航员必须向着跟返回飞船方向相反的方向释放氧气,才能回到飞船上去,同时又必须保留一部分氧气供他在返回飞船的途中呼吸已知宇航员呼吸的耗氧率为42.5 10 k
10、g/s试问:(1)如果他在准备返回飞船的瞬时,释放0.15 kg的氧气,他能安全地回到飞船吗?(2)宇航员安全地返回飞船的最长和最短时间分别为多少?【思路点拨】动量守恒定律中的速度必须是相对同一参考系的,本题参考系是飞船【答案】(1)宇航员能顺利返回飞船(2)最长时间为1800 s,最短时间只有200 s【解析】宇航员使用氧气喷嘴喷出一部分氧气后,根据动量守恒定律,可以计算出宇航员返回的速度根据宇航员离开飞船的距离和返回速度,可以求出宇航员返回的时间,即可求出这段时间内宇航员要消耗的氧气,再和喷射后剩余氧气质量相比,即可得到答案 (1)令100 kgM,00.5 kgm,0.15 kgm,氧气
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