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鳛橥苿恿λ苑Q為水火箭。水火箭是物理教學(xué)中著名的案例之一，可以通過手動的實(shí)驗(yàn)與理論的分析，讓我們體會到實(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，我們希望通過實(shí)驗(yàn)來探究其中的關(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力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分的類似于火箭的玩具。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噴出，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、慣性滑翔在空中飛行，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，在制作的過程中就大致對水火箭的原理有一定的了解，同時(shí)通過制作鍛煉同學(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。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的記錄來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惖囊蛩責(zé)o法控制，所以我們將對打氣次數(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的可樂瓶、剪刀、訂書機(jī)、膠帶。

制作過程（成品如圖所示）：

（1）將兩個(gè)可樂瓶洗凈。

（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、對影響水火箭水平發(fā)射的因素的猜測與假設(shè)

因?yàn)樗鸺乃桨l(fā)射是一種類斜拋的運(yùn)動，所以我們可以結(jié)合現(xiàn)有知識對影響水火箭水平發(fā)射的因素進(jìn)行猜測：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噴出，在反作用下使水火箭快速上升。所以我們猜測：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斜拋運(yùn)動。但是過多的水量又會加大水火箭的重量。所以，我們猜測：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)飛行過程中并非只受到重力，且沒有初速度，只是會在發(fā)射的一開始階段因反作用力很大，會很快達(dá)到一個(gè)速度。所以我們猜測發(fā)射的最佳角度大約會在45°左右。

（4）水火箭的材料

①因?yàn)樗鸺龝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噴出，所以瓶內(nèi)的壓強(qiáng)會因?yàn)槌錃庾兊煤艽?，所以在充氣時(shí)，瓶的材料會因?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)的密度不同會導(dǎo)致瓶體的重量不同，也會影響發(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周圍雜音的影響。

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的因素中，第四與第五個(gè)因素不好控制與測量，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)力對實(shí)驗(yàn)的影響，我們選擇了在晴天無風(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，沒有太多噪音的影響。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測量發(fā)射臺到落地點(diǎn)的距離。

⑦記錄數(shù)據(jù)。

注意事項(xiàng)：

①在實(shí)驗(yàn)過程中小心使用水火箭，盡量減少對水火箭的破環(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)射臺的位置要固定。

⑤不要對著人發(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單的應(yīng)用。同時(shí)，在實(shí)踐的過程中，培養(yǎng)在實(shí)踐中反復(fù)探究、遇到問題采取反復(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)的場地。

［1］風(fēng)格.《一百個(gè)科技小制作》［M］.北京：中國少年兒童出版社，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，喜歡動手，水火箭、機(jī)器人、拼裝結(jié)構(gòu)，都是最愛！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！