水火箭的制作與發射
——初中物理教學課外活動拓展

李詩琴

(宜賓市翠屏區行知中學校 四川 宜賓 644000)

素質教育要求教師以學生的長遠發展來開展教學活動，開展初中物理教學課外活動，是一種很好的途徑.宜賓市翠屏區行知中學校自2018年9月開設了物理科技創新社，每周兩個課時.這為我校的物理課外實驗拓展提供了時間支持和資金支持，為培養我校學生的動手能力、探索能力、創新意識和創新能力，從而提高學生的物理核心素養，邁出了關鍵一步.筆者作為該課教師，開發了一系列低成本、易操作、高能效的物理課外實驗項目，其中最成功的當數物理的經典項目——水火箭的制作與發射.此課題蘊含知識面廣、最終測試效果震撼，能讓學生對物理與科技的聯系有直觀深刻的認識，且本項目的開展只需購置一套發射裝置和成本低廉容易獲取的其他輔助材料，因此，筆者認為自制水火箭并發射是一個值得推廣的課題.

下面是筆者對自制水火箭這一課題項目的具體設計與實踐操作經驗分享.

1 認識水火箭

水火箭基本結構如圖1所示，它是一種利用質量比和氣壓作用而設計的玩具，同時是物理教學中經常用到的典型實驗案例之一.水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水推進火箭，是用廢棄的飲料瓶制作而成的一種玩具.它分為動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分.水火箭科技含量高，寓教于樂，深受廣大青少年喜愛，可以讓他們直觀地了解導彈、運載火箭的發射升空和回收過程，理解導彈與飛機飛行的原理及其不同點[1].

圖1 水火箭基本結構示意圖

2 物理原理

發射原理：利用打氣筒對動力艙充氣加壓，發射的瞬間利用瓶內氣壓將水向后噴出，從而獲得向前的“反沖力”，由于火箭體的質量比水輕得多，所以火箭體可以獲得較大的發射速度(動量守恒定律).

降落傘打開原理：當水火箭上升的時候空氣阻力跟重力會使火箭頭跟瓶身合在一起，而水火箭下降時，由于空氣的力量和加重后火箭頭慣性較大，火箭頭會跟瓶身分開，使降落傘落出來并展開傘面.

3 器材準備

發射臺(網購)、噴嘴(網購)、打氣筒、規格相同的小可樂瓶2個、可樂瓶蓋1個、稍硬紙板、泡棉板(厚3 mm)、502膠水、寬透明膠帶1卷、窄透明膠帶1卷、剪刀、魚線、塑料薄膜桌布、小刀、打火機、回形針、橡皮泥等.

4 制作步驟

4.1 制作降落傘

降落傘面的制作步驟如下：

(1)如圖2所示，將塑料薄膜桌布裁成40 cm×40 cm的正方形，沿中線對折2次后，得到圖2(c)所示的形狀，再沿45°角分線對折1次，最后沿22.5°的角分線對折成圖2(d)所示的鈍角三角形OAC,其中OB=20 cm，然后沿直線AB剪裁掉多余的陰影部分，展開得到正八邊形薄膜，如圖2(e)所示.

圖2 裁剪降落傘面

(2)加固：將小透明膠帶裁成1 cm×1 cm左右的小方塊，用裁好的小方塊小透明膠帶對八邊形薄膜每個角進行雙面粘貼加固，如圖3所示.

圖3 透明膠帶加固頂角并打孔

(3)打孔：將回形針一端扳直成鐵絲，將扳直這端用打火機燒熱，趁熱在每個角上的小方塊透明膠帶中央打孔，如圖3所示.

(4)穿線：將8根約25 cm長的魚線分別穿過8個小孔，并分別打結固定在8個角上(要保證打結后的線長約等于降落傘頂點到中心的距離22 cm).

(5)瓶蓋打孔：將回形針的扳直端用打火機燒熱，趁熱在瓶蓋中央打孔，孔徑需保證8根魚線都能穿過.

(6)穿蓋捋線：將8根魚線從瓶蓋外側穿入瓶蓋內側，將線捋成一捆，用透明膠帶將這捆線纏繞1～2圈，纏繞后對魚線長度進行微調，微調每根魚線長度相等后，再用502膠水將這捆線粘牢，膠水干透后，保證這捆線不會脫出瓶蓋；如果會脫出，可采用在502膠水粘接處多纏繞幾圈透明膠帶解決.

(7)釋放：將帶降落傘的瓶蓋從高處釋放，觀察下落時傘面展開情況以及下落的平穩情況，如果開傘效果不理想，再對傘面對稱性和魚線長度進行微調.

開傘效果如圖4所示.

圖4 降落傘開傘檢測

4.2 制作火箭體

火箭主體的制作步驟如下：

(1)將1只可樂瓶底部裁掉，裁掉部分約2～4 cm高.

(2)將裁掉的可樂瓶和另外一只完整的可樂瓶兩瓶底部拼接起來，并用寬透明膠帶粘牢固定.

注意：完整的瓶子作為動力艙，位于下部，并在下部安裝尾翼，裁掉底部的可樂瓶作為平衡艙，位于上部，如圖5所示，并將在瓶口安裝火箭頭.

圖5 火箭體

4.3 制作紙錐火箭頭

火箭頭的制作步驟如下：

(1)先用稍微硬的紙板繞瓶口裹成圓錐蓋，再展開紙板,并裁剪成尺寸合適的扇形紙板，扇形各邊緣可適當剪寬1 cm左右，裹成圓錐頭，如圖6所示.

圖6 紙錐火箭頭

(2)在瓶口試戴，再根據試戴結果對扇形紙板的各邊緣尺寸進行微小的裁剪調整，直到紙錐火箭頭中線恰好可以與瓶身中軸線在一條直線上，且紙錐口徑略大于瓶身直徑.

(3)用寬透明膠將扇形硬紙粘成紙錐.

(4)在紙錐尖內部塞入適量橡皮泥.

降落傘成功打開的關鍵是火箭頭口徑要比瓶身大，而且火箭頭的內部要加重.

確保降落傘能打開的其他方法：把火箭頭的內部跟降落傘的中心用一點點粘性不是很強的雙面膠粘在一起，降落時利用火箭頭的分離將降落傘帶出；在傘面中央粘幾粒米，增大慣性，便于帶出降落傘.

4.4 制作火箭尾翼

火箭尾翼的制作步驟如下：

(1)用泡棉板裁出尺寸合適的火箭尾翼.

具體要求：翼寬約為可樂瓶的半徑，形狀自定，如為梯形，可調為不同形狀，看其對火箭的發射有何影響.

(2)制作火箭翼底座：用泡棉板裁出寬約2 cm，比翼長2～4 cm的長條.

(3)長條底座中央裁出一條縫，使火箭翼能卡進縫中，再用502膠水將火箭尾翼固定在縫中.

(4)待膠水干透后，將底座泡棉板用502膠水粘在火箭動力艙下端4個對稱的方向相同的高度.

(5)用小透明膠帶纏繞火箭翼底座3圈，使底座在動力艙上粘的更牢固.

為降低制作成本，也可用硬紙板替代泡棉板來制作尾翼.

4.5 組裝與發射

火箭的組裝步驟與發射步驟如下：

(2)將噴嘴擰在動力艙瓶口，用手指堵住噴嘴口，按壓發射開關，同時用力將噴嘴卡在發射臺上，再松開發射開關.

(3)將帶傘的瓶蓋擰在平衡艙的瓶口上，注意傘面不能沾水.

(4)將降落傘z形折疊，再蓋上紙錐火箭頭.

(5)用打氣筒給動力艙適量充氣.

(6)按壓發射開關，水火箭就會發射出去.

(7)觀察水火箭的飛行狀態和降落傘展開情況.

理想的開傘下落狀態如圖7所示.

圖7 水火箭開傘下落

5 制作發射效果及反思

由于初中學生的動手能力弱，制作水火箭過程耗時較長，共計4個課時.經過實驗，學生的發射成功率約70%，發射成功的，降落傘打開率約50%，比預期的結果好.

有的火箭發射出去后會轉彎，不沿直線飛行，經學生分析得出原因是動力艙、平衡艙和火箭頭中軸線沒在一條直線上、火箭尾翼不對稱等.

注意事項：制作過程中使用小刀、打火機等工具可能會受傷，操作前要提醒學生注意操作安全.水火箭的發射過程中，也存在一定危險.飛行中的水火箭若擊中人，會造成傷害，必須在空曠場地發射，并且預判并觀察火箭的飛行軌跡，提前做好疏散，避免發生傷人事故，最好能讓學生帶著頭盔；而且在用氣筒打氣的過程中，也存在爆炸的風險，不能充太多的氣.

學生發射水火箭如圖8所示.

圖8 宜賓市翠屏區行知中學校學生正進行“水火箭的制作與發射”