关于水火箭的制作与影响水火箭水平发射的因素

2016-11-08高毕术徐宇翔王子川李心果梁润心徐雯琪

科学中国人 2016年30期

关键词：水量火箭次数

高毕术，徐宇翔，王子川，李心果，梁润心，徐雯琪

南京师范大学附中高三（2）班

关于水火箭的制作与影响水火箭水平发射的因素

高毕术，徐宇翔，王子川，李心果，梁润心，徐雯琪

南京师范大学附中高三（2）班

水火箭是一种利用质量比和气压作用而设计的玩具，可以模拟火箭飞行的原理，同因为利用水作为推动力所以称为水火箭。水火箭是物理教学中著名的案例之一，可以通过手动的实验与理论的分析，让我们体会到实验物理的趣味性。关于水火箭的水平发射，影响其飞行距离的因素有很多，我们希望通过实验来探究其中的关系。

水火箭；制作；控制变量；实验物理；归纳总结

一、绪论

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭，是利用废弃的饮料瓶制作成具有动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞等部分的类似于火箭的玩具。向水火箭中灌入一定量的水，用打气筒向水火箭内充入空气，利用水和空气的质量之比，压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像导弹一样有一个飞行轨迹。

本课题的第一个研究方向就是研究水火箭的制作。这是物理学科与技术学科的综合应用，在制作的过程中就大致对水火箭的原理有一定的了解，同时通过制作锻炼同学的制作能力。

本课题的第二个研究方向也是本课题的重点就是探究影响水火箭水平发射的因素。通过实验与数据的记录来大致分析影响水火箭水平发射的因素。根据我们已有的物理学知识可以确定的是，影响水火箭水平发射的因素可能有：打气次数、水量、发射角度、水火箭自身材料、当时天气等。因为像天气之类的因素无法控制，所以我们将对打气次数、水量、发射角度等可控因素进行实验，探究它们与水火箭水平发射的关系。

二、实验探究

1、水火箭的制作［1］

材料准备：

2个500mL的可乐瓶、剪刀、订书机、胶带。

制作过程（成品如图所示）：

（1）将两个可乐瓶洗净。

（2）将其中一个瓶子沿商标剪成三段：瓶口段、商标段和瓶底段。

（3）将另一个可乐瓶倒扣在商标段中，并用胶带粘牢（此瓶口为注水口）。

（4）将瓶口段以反方向倒扣在完整可乐瓶的瓶底，并用胶带粘牢。

（5）将注水口的瓶盖拧下，换上已经准备好的瓶口塞。

注意事项：小心使用剪刀，切开的瓶子的部分比较扎手，制作安全。

2、试验性发射，体验水火箭发射

3、对影响水火箭水平发射的因素的猜测与假设

因为水火箭的水平发射是一种类斜抛的运动，所以我们可以结合现有知识对影响水火箭水平发射的因素进行猜测：打气次数、水量、发射角度、水火箭自身材料、当时天气等。

（可能会用到的公式，在忽略空气阻力的条件下：

其中Vo为抛出速度，θ为速度与水平面夹角，g为重力加速度）

（1）打气次数

因为水火箭是利用水和空气的质量之比，压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，在反作用下使水火箭快速上升。所以我们猜测：在其他条件都相同且在每次打气进入水火箭的体积相同的情况下，打气次数与水火箭的水平发射距离呈正相关的关系。

（2）水量

因为水火箭是利用水喷出时的反作用力使水火箭快速上升形成类斜抛运动。但是过多的水量又会加大水火箭的重量。所以，我们猜测：在其他条件都相同的情况下，水量的多少与水火箭的水平发射距离在一定范围内呈正相关的关系。

（3）发射角度

根据上述公式，可以发现水平位移与发射角θ有关系。在上式中，当θ=45°时，水平位移取到最大值。但由于真正的水火箭发射时有空气阻力，且水火箭在整个飞行过程中并非只受到重力，且没有初速度，只是会在发射的一开始阶段因反作用力很大，会很快达到一个速度。所以我们猜测发射的最佳角度大约会在45°左右。

（4）水火箭的材料

①因为水火箭会利用水和空气的质量之比，压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，所以瓶内的压强会因为充气变得很大，所以在充气时，瓶的材料会因为材质不同导致形变的不同，影响发射。

②同时材质的密度不同会导致瓶体的重量不同，也会影响发射的水平位移。

（5）当时的天气状况

①空气阻力会影响水火箭的发射，晴天和阴天的大气压不同，所以在不同天气下发射会有差异。

②风力也是影响水火箭发射的重要因素之一。因为水火箭在飞到一定高度时水会全都使用完，而此时就相当于一个重量很轻的空瓶子，此时水火箭收到的风力的影响较大。

（6）其他因素

①周围杂音的影响。

②使用的水的水质与成分。

③温度。

……

4、实验

因为在猜测的因素中，第四与第五个因素不好控制与测量，所以本次实验主要探究打气次数、水量、发射角度等可控因素对水火箭水平发射的距离的影响。同时，为了尽量避免空气阻力与风力对实验的影响，我们选择了在晴天无风的状态下进行实验。同时我们选择在学校放假时的操场，没有太多噪音的影响。温度为20℃左右的室温。

（1）实验操作

①装水。

②将水火箭与发射台紧密连接。

③调节角度。

④使用打气筒打气。

⑤发射。

⑥测量发射台到落地点的距离。

⑦记录数据。

注意事项：

①在实验过程中小心使用水火箭，尽量减少对水火箭的破环，如挤捏瓶子使瓶壁上有折痕。

②装水时要用量杯测量水量，保证水量的准确。

③使用打气筒打气时要尽量做到每一次都将打气筒杆上下打气所变化的位移一样，保证每次打气进入水火箭的体积相同。且打气的频率要平缓一点。

④发射台的位置要固定。

⑤不要对着人发射。

（2）数据整理

（3）数据分析

①打气次数与水火箭的水平发射距离一定呈正相关的关系。

②瓶装为500mL的可乐瓶，装水量大致在200mL时发射得最远。

③发射角度大约在40°左右时水平距离最远。

（4）误差分析

①水火箭发射时操作的误差。

②测量的误差。

③环境误差。

（5）结论分析

①打气次数与水火箭的水平发射距离基本呈正相关的关系。基本符合之前猜测的推论。

②要使水火箭发射的距离较远，水火箭用水量和火箭容气空间需要有一定的比例。大约在容积的2/5左右为最佳。

③发射角度大约在40°左右时水平距离最远。比45°略小一点。但也基本符合猜测的推论

三、结论

1、打气次数与水火箭的水平发射距离呈正相关的关系。

2、要使水火箭发射的距离较远，水火箭用水量和火箭容气空间需要有一定的比例。

3、发射的最佳角度大约会在45°左右。

四、实验感受

在这次课题的研究中我们感受到了实验物理与理论物理之间的联系，知道了物理在生活中简单的应用。同时，在实践的过程中，培养在实践中反复探究、遇到问题采取反复实践、借助已有生活经验、学习他人经验等方法去再创造，不断解决问题的能力，同时提高创造能力培养学生的合作精神，探究意识及认真细致、敢于创新、一丝不苟的科学态度。这次的水火箭探究课题对我们每一位组员都有很大的帮助。