新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)應(yīng)用

王太軍 尹克利

摘 ? 要：“水火箭”實(shí)驗(yàn)是普通高中物理教學(xué)中重要的學(xué)生趣味實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，但其存在不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等問題，常常挫敗學(xué)生的積極性。經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)后的新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置，利用霧化后的酒精與空氣充分混合，在電火花作用下瞬間引燃，借助噴出大量高熱氣體獲得反推動(dòng)力而升空，其上升高度可以通過向箭體內(nèi)噴灑酒精的劑量來調(diào)節(jié)控制。通過遙控方式點(diǎn)火，安全可控性較好，成本低廉，便于制作使用，克服了已有“水火箭”存在的諸多固有缺陷，教學(xué)應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：自制教具;新型火箭模型;水火箭;教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）5-0079-2

“水火箭”是普通高中物理教學(xué)中“動(dòng)量守恒定律”和“反沖現(xiàn)象”重要的實(shí)驗(yàn)，是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“選擇性必修1”課程模塊中建議的學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)[1]?！八鸺笔抢脧募w塑料瓶內(nèi)噴出的高速水流產(chǎn)生反推力從而推動(dòng)“水火箭”上升，但遺憾的是，“水火箭”攜帶水量以及箭體塑料瓶氣密性問題得不到很好的解決，“水火箭”不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等問題常常挫敗學(xué)生的積極性。基于此，筆者經(jīng)過長期測試和應(yīng)用實(shí)踐，設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置，可以較好地解決“水火箭”存在的主要缺陷，教學(xué)效果良好。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)簡圖

本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置的原理是利用霧化后的酒精迅速揮發(fā)與空氣混合后形成的酒精空氣混合物，在電火花作用下瞬間引燃，借助噴出大量高熱氣體獲得反推動(dòng)力，從而使模型火箭體升空。

本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由模型火箭體、發(fā)射架兩大部分組成，其中模型火箭體由高強(qiáng)度、輕質(zhì)阻燃材料（可用容積較大的“易拉罐”代替）制作而成，可以有效防止燃燒后的高溫高壓氣體對(duì)模型火箭體的損壞;發(fā)射架主要由電子點(diǎn)火器、擋物盤、三腳架、遙控按鈕等部分組成，可以進(jìn)行多角度調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)模型火箭體的豎直上升、斜拋和平拋等運(yùn)動(dòng)。使用時(shí)主要將模型火箭體置于發(fā)射架的擋物盤上，通過遙控電子點(diǎn)火方式引燃模型火箭體內(nèi)的酒精空氣混合物，即可發(fā)射火箭，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ? ?操作步驟及其在物理教學(xué)中的使用

本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置，在物理教學(xué)中的使用方法與步驟（以豎直發(fā)射為例）如下：

（1）將發(fā)射架置于空曠地帶，調(diào)節(jié)發(fā)射架三腳架，使發(fā)射架中的電子點(diǎn)火器桿豎直，并備好濕棉布待用;若條件允許，最好能佩戴護(hù)目鏡、阻燃材質(zhì)的防護(hù)服和手套等。

（2）手握住模型火箭，用盛有95%濃度酒精的花露水瓶向模型火箭噴氣口內(nèi)噴灑酒精，視當(dāng)?shù)貧鈮?、濕度適當(dāng)增減噴灑酒精量（一般按壓噴頭3～5次即可），酒精噴灑完成后，可以向模型火箭內(nèi)吹氣，使模型火箭體內(nèi)酒精與空氣充分混合。

（3）將模型火箭的噴氣口向下，使電子點(diǎn)火器電火花發(fā)生端緩慢插入模型火箭塑料瓶內(nèi)，將模型火箭置于發(fā)射架的擋物盤上，并使箭體豎直。

（4）打開電子點(diǎn)火器的電源開關(guān)。

（5）操作人員遠(yuǎn)離模型火箭發(fā)射架，并選擇在較遠(yuǎn)安全處準(zhǔn)備按壓遙控點(diǎn)火鍵。

（6）待其他人員離開模型火箭一定距離后，擇機(jī)按壓點(diǎn)火鍵。通常情況下，伴隨“嘣”的一聲，模型火箭內(nèi)的酒精空氣混合物瞬間被引燃，噴出大量高熱的氣體，模型火箭體驟然升空。

（7）安全收置模型火箭體。由于模型火箭體內(nèi)氣體對(duì)外瞬間做功和運(yùn)動(dòng)過程中外部氣流影響，其內(nèi)部溫度急劇下降，溫度甚至降至酒精的著火點(diǎn)以下，所以落地后的模型火箭體內(nèi)通常不會(huì)存在酒精燃燒的情況。但是，為了做到盡可能安全，建議在模型火箭體發(fā)射升空落地后及時(shí)用濕棉布捂住模型火箭體噴氣口一段時(shí)間，防止其內(nèi)部酒精繼續(xù)燃燒。因?yàn)榫凭紵幕鹧骖伾珳\淡，極不易被發(fā)現(xiàn)，此步驟是為了盡可能消除箭體落地后的安全隱患。

此外，若要實(shí)現(xiàn)模型火箭體的斜拋和平拋等運(yùn)動(dòng)，可以通過調(diào)節(jié)三腳架改變電子點(diǎn)火器直桿的仰角來實(shí)現(xiàn)，操作與上述步驟一致。值得一提的是，本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置上升的高度可以通過向箭體內(nèi)噴灑的酒精劑量來調(diào)節(jié)控制，初次使用時(shí)酒精不要過量，以防止上升太高下落后傷及他人（亦可通過加裝降落傘裝置來降低風(fēng)險(xiǎn)）。

3 ? ?教學(xué)應(yīng)用的效果與優(yōu)勢

本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置能形象地展示火箭點(diǎn)火升空的物理科學(xué)原理，尤其是在暗光背景下，發(fā)射瞬間還能看到模型火箭體噴氣口噴出的淡藍(lán)色火焰，形象地還原了航天火箭點(diǎn)火升空的真實(shí)情景。本實(shí)驗(yàn)克服了在教學(xué)中目前僅能用Flash動(dòng)畫、視頻來展示航天火箭升空以及“水火箭”不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等缺陷，讓學(xué)生能更直觀地體驗(yàn)火箭點(diǎn)火升空的瞬間，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國熱情。本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置，可以用于普通高中物理“動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律”部分的教學(xué)，可拓展應(yīng)用于“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”“平拋運(yùn)動(dòng)”“斜拋運(yùn)動(dòng)”“自由落體運(yùn)動(dòng)”等內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)探究。

新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置不但取材簡便、成本低廉，而且發(fā)射后模型火箭體的上升高度可以通過向其內(nèi)部噴灑酒精的劑量來精確控制，室內(nèi)、室外均可使用，而且安全性完全可控;可以用作演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以作為學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)。在物理教學(xué)應(yīng)用中，學(xué)生驚嘆不絕，其教學(xué)效果十分顯著。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)還可作為初、高中學(xué)生課外科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)、通用技術(shù)、STEAM教育中的趣味教學(xué)內(nèi)容，方便學(xué)生親身體驗(yàn)和動(dòng)手制作。

綜上，本新型火箭升空實(shí)驗(yàn)裝置克服了當(dāng)前高中物理教學(xué)中“水火箭”[2]攜帶水量比例和氣密性不良、操作不便等固有缺陷，與已有相關(guān)研究相比[3]，本新型實(shí)驗(yàn)裝置更加輕量化、小型化和簡約化，方便攜帶和操作，能更加真實(shí)地還原航天火箭發(fā)射的真實(shí)情景。在激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣和求知欲的同時(shí)，通過深度參與科學(xué)探究，激活學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的生成和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義精神，增強(qiáng)學(xué)生的文化自信。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018：24.

[2]李梅.水火箭的制作與發(fā)射[J].物理教學(xué)，2008，30（10）：61-62.

[3]李江，尹紅.帶延時(shí)降落傘的二級(jí)分離水火箭的制作與發(fā)射[J].物理教學(xué)探討，2019，37（3）：48-50.

（欄目編輯 ? ?李富強(qiáng)）