水火箭在高中物理教学中的应用

祝颂娴 李广富 高永伟

摘   要：以水火箭实验为例，挖掘水火箭所蕴含的高中物理知识点，将其拓展应用于物理课堂中，为教师尝试教学创新与突破提供借鉴。

关键词：水火箭；高中物理；共点力平衡；斜抛运动

“水火箭”自2003年版课程标准正式引入高中物理课堂，经过长达14年的课标修订，2017年版新课标中仍然作为高中物理教师的教学活动建议[ 1 ]。水火箭模型不仅具有制作简单、成本低廉、安全性高的显著优点，而且蕴含着丰富的物理知识。水火箭的制作、升空、回收阶段包含了牛顿力学、热力学和电磁学板块的物理知识，教师可结合水火箭对所涉及到的具体的知识点进行教学。

本文以水火箭实验为例，旨在尽可能挖掘水火箭模型中的物理知识，并示例如何结合水火箭对这些知识点进行教学，最大化发挥其在中学物理课堂中的作用，以适应其他课题的内容需求，为教师的教提供新思路。

1  水火箭在高中物理教学中的常见应用

2019人教版高中物理选择性必修一将“反冲现象 火箭”编排在动量守恒定律这一章的最后一节[ 2 ]。本节以章鱼游动和炮弹发射为例，帮助学生抽象与建构反冲运动的模型，理解反冲运动的概念及其满足的运动规律，进而将学生引向反冲运动最有意义的应用——火箭发射。教师在教学活动中带领学生利用水火箭进行制作探究和实验探究，一方面使学生将所学知识与实践紧密结合，加深对动量守恒定律的理解与应用，另一方面有助于科学态度与责任的养成，培养学生的民族自豪感和爱国主义精神，增强学生的文化自信[ 3 ]。

2  水火箭在高中物理教学中的应用拓展

经深度挖掘与思考，水火箭升空实验装置除了应用于“动量守恒定律”部分的教学，还可拓展应用于“共点力的平衡”“速度的合成与分解”“斜抛运动”“动量守恒定律和机械能守恒定律综合应用”等部分的教学。

2.1  水火箭在“共点力的平衡”教学中的应用拓展

案例一：箭体降落过程中，有的降落伞伞绳突然断裂，导致箭体下降过程存在安全隐患，请问需要多少根伞绳才能保证箭体平稳降落？

教学过程：在实验过程中，让学生观察未能平稳降落的箭体，发现原因在于部分伞绳断裂，向学生抛出问题——至

设计意图：新课标中1.2.2要求学生能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题[ 1 ] 12。通过对火箭降落过程中发生的“事故”进行具体分析，提高学生将所学的知识应用于解决实际问题的能力。

2.2  水火箭在“速度的合成与分解”教学中的应用拓展

案例二：在实验过程中，不难发现，在无风情况下，箭体很容易竖直上升。但是，在有风情况下，要使得箭体竖直上升，需要逆风发射。

教学过程：组织学生在无风和有风的时候进行实验，在保证安全的情况下，让学生亲自动手调整发射角度，发现有风的时候需要调整发射方向才能保证箭体竖直上升。向学生抛出问题——如何调整发射方向，才能保证箭体在有风的情况下仍然沿竖直轨道上升。联系小船过河模型，引导学生利用速度的合成与分解的相关知识分析有风情况下的飞行合速度。无风的情况下，水火箭在喷水阶段受到反冲作用力向上发射，上升的水火箭有一个方向朝上的反冲速度，如图2（a）。但有风的情况下竖直向上发射，风速和反冲速度为两个分速度，通过平行四边形法则可知合速度的方向不再向上，从而导致箭体偏离预设轨道，如图2（b）。若是在有风的环境下选择顺风发射，不仅无法保证箭体竖直上升，还会存在安全隐患，如图2（c）。因此，要保证水火箭竖直上升并维持一定的速度，就需要根据现场的风速和风向对反冲速度的大小和方向进行调整，如图2（d），从而解释了为什么逆风的方向更适合飞翔。

设计意图：随着时代的发展，现代化的渡轮代替了靠人工撑桨的传统摆渡小船，但小船过河模型也具有指导意义。该问题情境虽然与小船过河问题情境不同但物理模型一致，本质上仍然是高中物理中速度的合成与分解的问题。水火箭发射中的风速和反冲速度，分别对应着小船过河问题中的水流速度与划船速度。

2.3  水火箭在“斜抛运动”教学中的应用拓展

案例四：在发射前的理论阶段，学生认为要获得最大射程，箭体的最佳发射角是45°，然而实验过程中，最佳发射角度不是45°。

教学过程：高中阶段学生面对斜抛运动时，通常都会忽略空气阻力，将运动过程理想化。通过理论分析得出水火箭做斜抛运动过程中的射程公式，如下：

当发射角α为45°时，可得最大射程smax。

不考虑空气阻力的情况下，水火箭的运动轨迹与受力分析如图3。

带领学生进行实验并记录最佳发射角度，让学生产生认知冲突，发现实际的最佳发射角度与理论上的不符。结合教材中的“思考与讨论”栏目，让学生明白物体在空气中运动速度越大，阻力也越大，所以研究水火箭的运动时不能忽略空气阻力，因此，实际发射过程中最佳发射角度不是45°。最后，让学生推测水火箭的实际轨迹大致是怎样的。

考虑空气阻力的情况下，水火箭的运动轨迹与受力分析如图4。

设计意图：高中物理必修二5.4抛体运动规律一节中“思考与讨论”栏目提出思考：不忽略阻力时的炮弹运动实际轨迹。用可以通过实验直接观察的火箭运动替换炮弹运动，学生能够更好地将观察与思考想结合。

2.4  水火箭在“动量守恒定律和机械能守恒定律综合应用”教学中的应用拓展

案例五：在对照实验中，学生疑惑，空箭体质量远小于注了水的箭体，但为什么空箭体的发射高度反而没有注了水的箭体高。

教学过程：带领学生研究如何将水火箭发得更高，将空箭体、注入纯净水的箭体和注入糖盐水的箭体进行对照实验，结果反而是糖盐水箭体最高，空箭体最低。引导学生对水火箭发射过程中涉及到的物理定律进行思考。水火箭系统满足动量守恒定律的条件（系统不受外力或所受外力之和为零），且初始动量为零，则动量守恒定律表达式为（箭体质量为m1，助推劑的质量为m2，喷水时箭体获得的速度为v1，水的喷出速度为v2）：0=m1v1-m2v2{1}

上式表明，做反冲运动的两部分，它们的动量大小相等，方向相反，分离时的速度与质量成反比，质量越大的物体分得的动能越少。

忽略空气阻力，水火箭整个上升阶段系统只受到重力作用，因此系统机械能守恒，表达式为：Ek=Ep=m1gh{6}

故箭体发射的高度主要取决于喷水阶段箭体分得的动能。

对比不注水、注水和注糖盐水的箭体，体积相同时，密度越大，质量越大，显然

m2气＜m2水＜m2糖盐水

根据{5}已知质量越大的部分分得动能越小，因此分离阶段糖盐水（推进器）分得的动能最小，注入糖盐水的箭体分得的动能最大。

∴E气箭体＜E水箭体＜E糖盐水箭体

∴h气箭体＜h水箭体＜h糖盐水箭体

通过上述的推导，学生明白了质量越大的物体分得的动能越少，能够解释為什么注入糖盐水的箭体发射效果比纯净水的发射效果好，不注水直接打气的箭体发射效果反而没有加水的好这个看似不合乎常理的问题。

设计意图：高中物理力学中涉及两个守恒定律，即动量守恒定律和机械能守恒定律，掌握这两个守恒定律，对物理概念和物理规律的理解能更进一步。这两个定律表示的是机械运动不同本质的规律，有相似和相异之处。更多时候，试题考察的是学生分析问题时，对机械能守恒和动量守恒综合应用的能力，例如选择性必修一1.3动量守恒定律“练习与应用”第六题（细线下吊着一个质量为m1的静止沙袋，沙袋到细线上端悬挂点的距离为l。一颗质量为m的子弹水平射入沙袋并留在沙袋中，随沙袋一起摆动。已知沙袋摆动时摆线的最大偏角是θ，求子弹射入沙袋前的速度。）只有通过机械能守恒定律得出射入后子弹和沙袋的共同速度，再结合动量守恒定律，才能求解子弹射入沙袋前的速度。

3  结束语

综上所述，能在物理课堂上融入与水火箭发射有关的物理知识不只有“动量守恒定律”，还有“共点力的平衡”“速度的合成与分解”“斜抛运动”“机械能守恒定律”等等。通过充分挖掘水火箭升空实验，可以将其与更多的物理教学内容结合，为教师教学和试题编写提供新素材。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：24.

［2］ 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理选择性必修一[M].北京：人民教育出版社，2019：24-27.

［3］ 王太军，尹克利.新型火箭升空实验装置及其教学应用[J].物理教学探讨，2020（5）：79-80.