题目
天-|||-使-|||-号如图,某中学航天兴趣小组在一次发射实验中将总质量为M的自制“水火箭”静置在地面上。发射时“水火箭”在极短时间内以相对地面的速度v_(0)竖直向下喷出质量为m的水。已知火箭运动过程中所受阻力与速度大小成正比,火箭落地时速度为v,重力加速度为g,下列说法正确的是( )A.火箭的动力来源于火箭外的空气对它的推力B.火箭上升过程中一直处于超重状态C.火箭获得的最大速度为(M)/(M-m)(v)_(0)D.火箭在空中飞行的时间为t=((M-m)v+m(v)_(0))/((M-m)g)
如图,某中学航天兴趣小组在一次发射实验中将总质量为$M$的自制“水火箭”静置在地面上。发射时“水火箭”在极短时间内以相对地面的速度$v_{0}$竖直向下喷出质量为$m$的水。已知火箭运动过程中所受阻力与速度大小成正比,火箭落地时速度为$v$,重力加速度为$g$,下列说法正确的是( )A.火箭的动力来源于火箭外的空气对它的推力
B.火箭上升过程中一直处于超重状态
C.火箭获得的最大速度为$\frac{M}{M-m}{v}_{0}$
D.火箭在空中飞行的时间为$t=\frac{(M-m)v+m{v}_{0}}{(M-m)g}$
题目解答
答案
D. 火箭在空中飞行的时间为$t=\frac{(M-m)v+m{v}_{0}}{(M-m)g}$
解析
本题考查反冲运动中的动量守恒及变力作用下的动量定理应用。解题核心在于:
- 反冲运动:喷水过程动量守恒,需注意参考系;
- 上升阶段:受重力和阻力,需用动量定理分析;
- 下降阶段:受重力和阻力,需结合最终速度联立求解总时间。
选项A分析
错误。火箭的动力来源于喷出的水对火箭的反作用力,而非外部空气的推力。喷水过程中系统(火箭+水)动量守恒,反作用力推动火箭上升。
选项B分析
错误。火箭上升阶段:
- 初速度为0,喷水后获得初速度$v_m$;
- 随高度增加,速度减小,加速度方向向下($a = \frac{k v + (M-m)g}{M-m}$);
- 加速度方向与速度方向相反,火箭处于失重状态。因此上升过程中先超重(喷水瞬间)后失重,选项B错误。
选项C分析
错误。喷水过程动量守恒(取向上为正):
$(M-m)v_m = m v_0$
解得最大速度:
$v_m = \frac{m}{M-m} v_0$
选项C中分母为$\frac{M}{M-m}$,与正确结果不符。
选项D分析
正确。分上升和下降两阶段用动量定理:
上升阶段
$-(M-m)g t_1 - k \overline{v}_1 t_1 = - (M-m) v_m$
下降阶段
$(M-m)g t_2 - k \overline{v}_2 t_2 = (M-m) v$
联立高度关系
$\overline{v}_1 t_1 = \overline{v}_2 t_2$
最终总时间:
$t = t_1 + t_2 = \frac{(M-m)v + m v_0}{(M-m)g}$