[典例] 一火箭喷气发动机每次喷出m=200 g的气体,气体喷出时的速度v=1 000 m/s,设火箭质量M=300 kg,发动机每秒喷气20次。
(1)当第三次气体喷出后,火箭的速度为多大?
(2)运动第1 s末,火箭的速度为多大?
[思路点拨]
(1)火箭喷气属于反冲运动,火箭和气体系统动量守恒。
(2)火箭喷气后质量发生变化,喷气后的质量为M-nm。
[解析] 法一:(1)喷出气体的运动方向与火箭的运动方向相反,气体和火箭系统动量守恒。
第一次气体喷出后火箭速度为v1,有
(M-m)v1-mv=0,所以v1=
第二次气体喷出后,火箭速度为v2,有
(M-2m)v2-mv=(M-m)v1,所以v2=
第三次气体喷出后,火箭速度为v3,有
(M-3m)v3-mv=(M-2m)v2
所以v3== m/s≈2 m/s。
(2)由上面推导可知,第n次气体喷出后,火箭速度为vn,有(M-nm)vn-mv=[M-(n-1)m]vn-1
所以vn=
因为每秒喷气20次,所以1 s末火箭速度为
v20== m/s≈13.5 m/s。
法二:选取整体为研究对象,运用动量守恒定律求解。
(1)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,根据动量守恒定律,得
(M-3m)v3-3mv=0
所以v3=≈2 m/s。
(2)以火箭和喷出的20次气体为研究对象,根据动量守恒定律,有(M-20m)v20-20mv=0