水火箭在高中物理教學中的應用

祝頌嫻 李廣富 高永偉

摘? ?要：以水火箭實驗為例，挖掘水火箭所蘊含的高中物理知識點，將其拓展應用于物理課堂中，為教師嘗試教學創(chuàng)新與突破提供借鑒。

關鍵詞：水火箭；高中物理；共點力平衡；斜拋運動

“水火箭”自2003年版課程標準正式引入高中物理課堂，經(jīng)過長達14年的課標修訂，2017年版新課標中仍然作為高中物理教師的教學活動建議[ 1 ]。水火箭模型不僅具有制作簡單、成本低廉、安全性高的顯著優(yōu)點，而且蘊含著豐富的物理知識。水火箭的制作、升空、回收階段包含了牛頓力學、熱力學和電磁學板塊的物理知識，教師可結合水火箭對所涉及到的具體的知識點進行教學。

本文以水火箭實驗為例，旨在盡可能挖掘水火箭模型中的物理知識，并示例如何結合水火箭對這些知識點進行教學，最大化發(fā)揮其在中學物理課堂中的作用，以適應其他課題的內容需求，為教師的教提供新思路。

1? 水火箭在高中物理教學中的常見應用

2019人教版高中物理選擇性必修一將“反沖現(xiàn)象 火箭”編排在動量守恒定律這一章的最后一節(jié)[ 2 ]。本節(jié)以章魚游動和炮彈發(fā)射為例，幫助學生抽象與建構反沖運動的模型，理解反沖運動的概念及其滿足的運動規(guī)律，進而將學生引向反沖運動最有意義的應用——火箭發(fā)射。教師在教學活動中帶領學生利用水火箭進行制作探究和實驗探究，一方面使學生將所學知識與實踐緊密結合，加深對動量守恒定律的理解與應用，另一方面有助于科學態(tài)度與責任的養(yǎng)成，培養(yǎng)學生的民族自豪感和愛國主義精神，增強學生的文化自信[ 3 ]。

2? 水火箭在高中物理教學中的應用拓展

經(jīng)深度挖掘與思考，水火箭升空實驗裝置除了應用于“動量守恒定律”部分的教學，還可拓展應用于“共點力的平衡”“速度的合成與分解”“斜拋運動”“動量守恒定律和機械能守恒定律綜合應用”等部分的教學。

2.1? 水火箭在“共點力的平衡”教學中的應用拓展

案例一：箭體降落過程中，有的降落傘傘繩突然斷裂，導致箭體下降過程存在安全隱患，請問需要多少根傘繩才能保證箭體平穩(wěn)降落？

教學過程：在實驗過程中，讓學生觀察未能平穩(wěn)降落的箭體，發(fā)現(xiàn)原因在于部分傘繩斷裂，向學生拋出問題——至

設計意圖：新課標中1.2.2要求學生能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題[ 1 ] 12。通過對火箭降落過程中發(fā)生的“事故”進行具體分析，提高學生將所學的知識應用于解決實際問題的能力。

2.2? 水火箭在“速度的合成與分解”教學中的應用拓展

案例二：在實驗過程中，不難發(fā)現(xiàn)，在無風情況下，箭體很容易豎直上升。但是，在有風情況下，要使得箭體豎直上升，需要逆風發(fā)射。

教學過程：組織學生在無風和有風的時候進行實驗，在保證安全的情況下，讓學生親自動手調整發(fā)射角度，發(fā)現(xiàn)有風的時候需要調整發(fā)射方向才能保證箭體豎直上升。向學生拋出問題——如何調整發(fā)射方向，才能保證箭體在有風的情況下仍然沿豎直軌道上升。聯(lián)系小船過河模型，引導學生利用速度的合成與分解的相關知識分析有風情況下的飛行合速度。無風的情況下，水火箭在噴水階段受到反沖作用力向上發(fā)射，上升的水火箭有一個方向朝上的反沖速度，如圖2（a）。但有風的情況下豎直向上發(fā)射，風速和反沖速度為兩個分速度，通過平行四邊形法則可知合速度的方向不再向上，從而導致箭體偏離預設軌道，如圖2（b）。若是在有風的環(huán)境下選擇順風發(fā)射，不僅無法保證箭體豎直上升，還會存在安全隱患，如圖2（c）。因此，要保證水火箭豎直上升并維持一定的速度，就需要根據(jù)現(xiàn)場的風速和風向對反沖速度的大小和方向進行調整，如圖2（d），從而解釋了為什么逆風的方向更適合飛翔。

設計意圖：隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代化的渡輪代替了靠人工撐槳的傳統(tǒng)擺渡小船，但小船過河模型也具有指導意義。該問題情境雖然與小船過河問題情境不同但物理模型一致，本質上仍然是高中物理中速度的合成與分解的問題。水火箭發(fā)射中的風速和反沖速度，分別對應著小船過河問題中的水流速度與劃船速度。

2.3? 水火箭在“斜拋運動”教學中的應用拓展

案例四：在發(fā)射前的理論階段，學生認為要獲得最大射程，箭體的最佳發(fā)射角是45°，然而實驗過程中，最佳發(fā)射角度不是45°。

教學過程：高中階段學生面對斜拋運動時，通常都會忽略空氣阻力，將運動過程理想化。通過理論分析得出水火箭做斜拋運動過程中的射程公式，如下：

當發(fā)射角α為45°時，可得最大射程smax。

不考慮空氣阻力的情況下，水火箭的運動軌跡與受力分析如圖3。

帶領學生進行實驗并記錄最佳發(fā)射角度，讓學生產(chǎn)生認知沖突，發(fā)現(xiàn)實際的最佳發(fā)射角度與理論上的不符。結合教材中的“思考與討論”欄目，讓學生明白物體在空氣中運動速度越大，阻力也越大，所以研究水火箭的運動時不能忽略空氣阻力，因此，實際發(fā)射過程中最佳發(fā)射角度不是45°。最后，讓學生推測水火箭的實際軌跡大致是怎樣的。

考慮空氣阻力的情況下，水火箭的運動軌跡與受力分析如圖4。

設計意圖：高中物理必修二5.4拋體運動規(guī)律一節(jié)中“思考與討論”欄目提出思考：不忽略阻力時的炮彈運動實際軌跡。用可以通過實驗直接觀察的火箭運動替換炮彈運動，學生能夠更好地將觀察與思考想結合。

2.4? 水火箭在“動量守恒定律和機械能守恒定律綜合應用”教學中的應用拓展

案例五：在對照實驗中，學生疑惑，空箭體質量遠小于注了水的箭體，但為什么空箭體的發(fā)射高度反而沒有注了水的箭體高。

教學過程：帶領學生研究如何將水火箭發(fā)得更高，將空箭體、注入純凈水的箭體和注入糖鹽水的箭體進行對照實驗，結果反而是糖鹽水箭體最高，空箭體最低。引導學生對水火箭發(fā)射過程中涉及到的物理定律進行思考。水火箭系統(tǒng)滿足動量守恒定律的條件（系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零），且初始動量為零，則動量守恒定律表達式為（箭體質量為m1，助推劑的質量為m2，噴水時箭體獲得的速度為v1，水的噴出速度為v2）：0=m1v1-m2v2{1}

上式表明，做反沖運動的兩部分，它們的動量大小相等，方向相反，分離時的速度與質量成反比，質量越大的物體分得的動能越少。

忽略空氣阻力，水火箭整個上升階段系統(tǒng)只受到重力作用，因此系統(tǒng)機械能守恒，表達式為：Ek=Ep=m1gh{6}

故箭體發(fā)射的高度主要取決于噴水階段箭體分得的動能。

對比不注水、注水和注糖鹽水的箭體，體積相同時，密度越大，質量越大，顯然

m2氣＜m2水＜m2糖鹽水

根據(jù){5}已知質量越大的部分分得動能越小，因此分離階段糖鹽水（推進器）分得的動能最小，注入糖鹽水的箭體分得的動能最大。

∴E氣箭體＜E水箭體＜E糖鹽水箭體

∴h氣箭體＜h水箭體＜h糖鹽水箭體

通過上述的推導，學生明白了質量越大的物體分得的動能越少，能夠解釋為什么注入糖鹽水的箭體發(fā)射效果比純凈水的發(fā)射效果好，不注水直接打氣的箭體發(fā)射效果反而沒有加水的好這個看似不合乎常理的問題。

設計意圖：高中物理力學中涉及兩個守恒定律，即動量守恒定律和機械能守恒定律，掌握這兩個守恒定律，對物理概念和物理規(guī)律的理解能更進一步。這兩個定律表示的是機械運動不同本質的規(guī)律，有相似和相異之處。更多時候，試題考察的是學生分析問題時，對機械能守恒和動量守恒綜合應用的能力，例如選擇性必修一1.3動量守恒定律“練習與應用”第六題（細線下吊著一個質量為m1的靜止沙袋，沙袋到細線上端懸掛點的距離為l。一顆質量為m的子彈水平射入沙袋并留在沙袋中，隨沙袋一起擺動。已知沙袋擺動時擺線的最大偏角是θ，求子彈射入沙袋前的速度。）只有通過機械能守恒定律得出射入后子彈和沙袋的共同速度，再結合動量守恒定律，才能求解子彈射入沙袋前的速度。

3? 結束語

綜上所述，能在物理課堂上融入與水火箭發(fā)射有關的物理知識不只有“動量守恒定律”，還有“共點力的平衡”“速度的合成與分解”“斜拋運動”“機械能守恒定律”等等。通過充分挖掘水火箭升空實驗，可以將其與更多的物理教學內容結合，為教師教學和試題編寫提供新素材。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：24.

［2］ 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理選擇性必修一[M].北京：人民教育出版社，2019：24-27.

［3］ 王太軍，尹克利.新型火箭升空實驗裝置及其教學應用[J].物理教學探討，2020（5）：79-80.