關(guān)于水火箭的制作與影響水火箭水平發(fā)射的因素

高畢術(shù)，徐宇翔，王子川，李心果，梁潤(rùn)心，徐雯琪

南京師范大學(xué)附中高三（2）班

關(guān)于水火箭的制作與影響水火箭水平發(fā)射的因素

高畢術(shù)，徐宇翔，王子川，李心果，梁潤(rùn)心，徐雯琪

南京師范大學(xué)附中高三（2）班

水火箭是一種利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的玩具，可以模擬火箭飛行的原理，同因?yàn)槔盟鳛橥苿?dòng)力所以稱(chēng)為水火箭。水火箭是物理教學(xué)中著名的案例之一，可以通過(guò)手動(dòng)的實(shí)驗(yàn)與理論的分析，讓我們體會(huì)到實(shí)驗(yàn)物理的趣味性。關(guān)于水火箭的水平發(fā)射，影響其飛行距離的因素有很多，我們希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究其中的關(guān)系。

水火箭；制作；控制變量；實(shí)驗(yàn)物理；歸納總結(jié)

一、緒論

水火箭又稱(chēng)氣壓式噴水火箭、水推進(jìn)火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成具有動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分的類(lèi)似于火箭的玩具。向水火箭中灌入一定量的水，用打氣筒向水火箭內(nèi)充入空氣，利用水和空氣的質(zhì)量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速?lài)姵觯诜醋饔孟拢鸺焖偕仙铀俣取T性滑翔在空中飛行，像導(dǎo)彈一樣有一個(gè)飛行軌跡。

本課題的第一個(gè)研究方向就是研究水火箭的制作。這是物理學(xué)科與技術(shù)學(xué)科的綜合應(yīng)用，在制作的過(guò)程中就大致對(duì)水火箭的原理有一定的了解，同時(shí)通過(guò)制作鍛煉同學(xué)的制作能力。

本課題的第二個(gè)研究方向也是本課題的重點(diǎn)就是探究影響水火箭水平發(fā)射的因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的記錄來(lái)大致分析影響水火箭水平發(fā)射的因素。根據(jù)我們已有的物理學(xué)知識(shí)可以確定的是，影響水火箭水平發(fā)射的因素可能有：打氣次數(shù)、水量、發(fā)射角度、水火箭自身材料、當(dāng)時(shí)天氣等。因?yàn)橄裉鞖庵?lèi)的因素?zé)o法控制，所以我們將對(duì)打氣次數(shù)、水量、發(fā)射角度等可控因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究它們與水火箭水平發(fā)射的關(guān)系。

二、實(shí)驗(yàn)探究

1、水火箭的制作［1］

材料準(zhǔn)備：

2個(gè)500mL的可樂(lè)瓶、剪刀、訂書(shū)機(jī)、膠帶。

制作過(guò)程（成品如圖所示）：

（1）將兩個(gè)可樂(lè)瓶洗凈。

（2）將其中一個(gè)瓶子沿商標(biāo)剪成三段：瓶口段、商標(biāo)段和瓶底段。

（3）將另一個(gè)可樂(lè)瓶倒扣在商標(biāo)段中，并用膠帶粘牢（此瓶口為注水口）。

（4）將瓶口段以反方向倒扣在完整可樂(lè)瓶的瓶底，并用膠帶粘牢。

（5）將注水口的瓶蓋擰下，換上已經(jīng)準(zhǔn)備好的瓶口塞。

注意事項(xiàng)：小心使用剪刀，切開(kāi)的瓶子的部分比較扎手，制作安全。

2、試驗(yàn)性發(fā)射，體驗(yàn)水火箭發(fā)射

3、對(duì)影響水火箭水平發(fā)射的因素的猜測(cè)與假設(shè)

因?yàn)樗鸺乃桨l(fā)射是一種類(lèi)斜拋的運(yùn)動(dòng)，所以我們可以結(jié)合現(xiàn)有知識(shí)對(duì)影響水火箭水平發(fā)射的因素進(jìn)行猜測(cè)：打氣次數(shù)、水量、發(fā)射角度、水火箭自身材料、當(dāng)時(shí)天氣等。

（可能會(huì)用到的公式，在忽略空氣阻力的條件下：

其中Vo為拋出速度，θ為速度與水平面夾角，g為重力加速度）

（1）打氣次數(shù)

因?yàn)樗鸺抢盟涂諝獾馁|(zhì)量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速?lài)姵觯诜醋饔孟率顾鸺焖偕仙Ｋ晕覀儾聹y(cè)：在其他條件都相同且在每次打氣進(jìn)入水火箭的體積相同的情況下，打氣次數(shù)與水火箭的水平發(fā)射距離呈正相關(guān)的關(guān)系。

（2）水量

因?yàn)樗鸺抢盟畤姵鰰r(shí)的反作用力使水火箭快速上升形成類(lèi)斜拋運(yùn)動(dòng)。但是過(guò)多的水量又會(huì)加大水火箭的重量。所以，我們猜測(cè)：在其他條件都相同的情況下，水量的多少與水火箭的水平發(fā)射距離在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)的關(guān)系。

（3）發(fā)射角度

根據(jù)上述公式，可以發(fā)現(xiàn)水平位移與發(fā)射角θ有關(guān)系。在上式中，當(dāng)θ=45°時(shí)，水平位移取到最大值。但由于真正的水火箭發(fā)射時(shí)有空氣阻力，且水火箭在整個(gè)飛行過(guò)程中并非只受到重力，且沒(méi)有初速度，只是會(huì)在發(fā)射的一開(kāi)始階段因反作用力很大，會(huì)很快達(dá)到一個(gè)速度。所以我們猜測(cè)發(fā)射的最佳角度大約會(huì)在45°左右。

（4）水火箭的材料

①因?yàn)樗鸺龝?huì)利用水和空氣的質(zhì)量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速?lài)姵觯云績(jī)?nèi)的壓強(qiáng)會(huì)因?yàn)槌錃庾兊煤艽螅栽诔錃鈺r(shí)，瓶的材料會(huì)因?yàn)椴馁|(zhì)不同導(dǎo)致形變的不同，影響發(fā)射。

②同時(shí)材質(zhì)的密度不同會(huì)導(dǎo)致瓶體的重量不同，也會(huì)影響發(fā)射的水平位移。

（5）當(dāng)時(shí)的天氣狀況

①空氣阻力會(huì)影響水火箭的發(fā)射，晴天和陰天的大氣壓不同，所以在不同天氣下發(fā)射會(huì)有差異。

②風(fēng)力也是影響水火箭發(fā)射的重要因素之一。因?yàn)樗鸺陲w到一定高度時(shí)水會(huì)全都使用完，而此時(shí)就相當(dāng)于一個(gè)重量很輕的空瓶子，此時(shí)水火箭收到的風(fēng)力的影響較大。

（6）其他因素

①周?chē)s音的影響。

②使用的水的水質(zhì)與成分。

③溫度。

……

4、實(shí)驗(yàn)

因?yàn)樵诓聹y(cè)的因素中，第四與第五個(gè)因素不好控制與測(cè)量，所以本次實(shí)驗(yàn)主要探究打氣次數(shù)、水量、發(fā)射角度等可控因素對(duì)水火箭水平發(fā)射的距離的影響。同時(shí)，為了盡量避免空氣阻力與風(fēng)力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，我們選擇了在晴天無(wú)風(fēng)的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)我們選擇在學(xué)校放假時(shí)的操場(chǎng)，沒(méi)有太多噪音的影響。溫度為20℃左右的室溫。

（1）實(shí)驗(yàn)操作

①裝水。

②將水火箭與發(fā)射臺(tái)緊密連接。

③調(diào)節(jié)角度。

④使用打氣筒打氣。

⑤發(fā)射。

⑥測(cè)量發(fā)射臺(tái)到落地點(diǎn)的距離。

⑦記錄數(shù)據(jù)。

注意事項(xiàng)：

①在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小心使用水火箭，盡量減少對(duì)水火箭的破環(huán)，如擠捏瓶子使瓶壁上有折痕。

②裝水時(shí)要用量杯測(cè)量水量，保證水量的準(zhǔn)確。

③使用打氣筒打氣時(shí)要盡量做到每一次都將打氣筒桿上下打氣所變化的位移一樣，保證每次打氣進(jìn)入水火箭的體積相同。且打氣的頻率要平緩一點(diǎn)。

④發(fā)射臺(tái)的位置要固定。

⑤不要對(duì)著人發(fā)射。

（2）數(shù)據(jù)整理

（3）數(shù)據(jù)分析

①打氣次數(shù)與水火箭的水平發(fā)射距離一定呈正相關(guān)的關(guān)系。

②瓶裝為500mL的可樂(lè)瓶，裝水量大致在200mL時(shí)發(fā)射得最遠(yuǎn)。

③發(fā)射角度大約在40°左右時(shí)水平距離最遠(yuǎn)。

（4）誤差分析

①水火箭發(fā)射時(shí)操作的誤差。

②測(cè)量的誤差。

③環(huán)境誤差。

（5）結(jié)論分析

①打氣次數(shù)與水火箭的水平發(fā)射距離基本呈正相關(guān)的關(guān)系。基本符合之前猜測(cè)的推論。

②要使水火箭發(fā)射的距離較遠(yuǎn)，水火箭用水量和火箭容氣空間需要有一定的比例。大約在容積的2/5左右為最佳。

③發(fā)射角度大約在40°左右時(shí)水平距離最遠(yuǎn)。比45°略小一點(diǎn)。但也基本符合猜測(cè)的推論

三、結(jié)論

1、打氣次數(shù)與水火箭的水平發(fā)射距離呈正相關(guān)的關(guān)系。

2、要使水火箭發(fā)射的距離較遠(yuǎn)，水火箭用水量和火箭容氣空間需要有一定的比例。

3、發(fā)射的最佳角度大約會(huì)在45°左右。

四、實(shí)驗(yàn)感受

在這次課題的研究中我們感受到了實(shí)驗(yàn)物理與理論物理之間的聯(lián)系，知道了物理在生活中簡(jiǎn)單的應(yīng)用。同時(shí)，在實(shí)踐的過(guò)程中，培養(yǎng)在實(shí)踐中反復(fù)探究、遇到問(wèn)題采取反復(fù)實(shí)踐、借助已有生活經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)他人經(jīng)驗(yàn)等方法去再創(chuàng)造，不斷解決問(wèn)題的能力，同時(shí)提高創(chuàng)造能力培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，探究意識(shí)及認(rèn)真細(xì)致、敢于創(chuàng)新、一絲不茍的科學(xué)態(tài)度。這次的水火箭探究課題對(duì)我們每一位組員都有很大的幫助。

五、特別鳴謝

感謝每一位組員的參與，感謝指導(dǎo)老師劉文慶的指導(dǎo)與幫助，感謝南師附中為我們提供實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地。

［1］風(fēng)格.《一百個(gè)科技小制作》［M］.北京：中國(guó)少年兒童出版社，1997

指導(dǎo)老師：劉文慶。

高畢術(shù)（1999-），男，南京師范大學(xué)附中高三理工男，喜歡動(dòng)手，水火箭、機(jī)器人、拼裝結(jié)構(gòu)，都是最?lèi)?ài)！薩克斯、吉它、街舞、唱歌是生活的小情調(diào)，籃球、乒乓球是生活的小佐料！