關(guān)于水火箭水平射程的實(shí)驗(yàn)探究

方紅霞

（揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇揚(yáng)州225002）

1 引 言

水火箭是利用常見的可樂瓶為材料，以反沖作用為原理，以壓縮空氣和高速水流為動(dòng)力的環(huán)保型火箭飛行器.傳統(tǒng)的水火箭活動(dòng)只著眼于如何制作和發(fā)射.筆者則重在引導(dǎo)學(xué)生用學(xué)過的物理知識(shí)和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、發(fā)射、探究這4個(gè)過程，從中培養(yǎng)學(xué)生善于質(zhì)疑、樂于探究、勤于動(dòng)手的優(yōu)良品質(zhì)和同舟共濟(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神.

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 自制水火箭

自制的水火箭如圖1所示.

圖1 自制水火箭

1）取一個(gè)1 250mL的可樂瓶，用美工刀切下大約1／3瓶高的瓶口部分，做成導(dǎo)流罩.

2）將第二個(gè)可樂瓶倒過來，把導(dǎo)流罩套在第二個(gè)可樂瓶的瓶底，用雙面膠粘緊.

3）再用塑料瓶剪出4個(gè)大小適宜的平衡翼.太大的平衡翼很重，影響射程；太小的平衡翼則起不到平衡作用，影響飛行方向.

4）裝上噴水嘴.

2.2 自制發(fā)射架

從市場(chǎng)上購買的水火箭發(fā)射架有不安全因素，不能使水火箭與發(fā)射架有效脫離，水火箭尾翼在升空時(shí)容易劃傷學(xué)生的臉部，還容易使發(fā)射架移位，導(dǎo)致水火箭偏離發(fā)射方向.為了避免上述不足，自制了水火箭發(fā)射架，確保了發(fā)射的安全和成功.

制作過程：

1）把不繡鋼板加工成如圖2中的支架的形狀，做成可調(diào)節(jié)角度的支架.

圖2 自制發(fā)射裝置

2）用不銹鋼螺絲把支架固定在較厚、較重的大理石板上，以增大水火箭發(fā)射時(shí)的穩(wěn)度.

3）把水管快速接頭裝在不銹鋼支架上，并連接好自行車剎車線和剎車把.

4）將自行車打氣筒裝上壓力表，在發(fā)射時(shí)能清楚地觀察到氣壓大小.

5）為了安全，需使自行車打氣筒離發(fā)射架遠(yuǎn)一些，加長(zhǎng)了連接的氣管.

2.3 發(fā)射水火箭

發(fā)射步驟：先向量杯中倒入體積為V的水，并將這些水倒入可樂瓶中.檢查噴嘴是否漏水，是否擰緊.把水火箭安裝到發(fā)射架上，向水火箭內(nèi)打氣.水火箭發(fā)射成功后用皮尺測(cè)量射程，記錄測(cè)量數(shù)據(jù).

3 科學(xué)探究

在水火箭的制作與發(fā)射過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有許多問題值得探究，尤其是水火箭的射程問題，更受到學(xué)生的關(guān)注.由于水火箭發(fā)射的高度不便測(cè)量，筆者引導(dǎo)學(xué)生圍繞水火箭水平射程問題，成立課題研究共同體，開展科學(xué)探究活動(dòng).

3.1 猜想假設(shè)

1）水火箭的射程可能與動(dòng)力艙內(nèi)的水的體積有關(guān)；

2）水火箭的射程可能與箭體的形狀、動(dòng)力艙的容積有關(guān)；

3）水火箭的射程可能與動(dòng)力艙內(nèi)充入氣體的壓強(qiáng)有關(guān)；

4）水火箭的射程可能與噴出水的質(zhì)量有關(guān)；

5）水火箭的射程可能與發(fā)射的角度有關(guān).

3.2 實(shí)驗(yàn)探究

根據(jù)上述的5個(gè)猜想假設(shè)，分組進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)探究.

3.2.1 探究水火箭的射程與發(fā)射艙內(nèi)水的體積的關(guān)系

1）用容積V瓶為1 250mL的可樂瓶做動(dòng)力艙進(jìn)行發(fā)射實(shí)驗(yàn).

2）在發(fā)射艙內(nèi)分別注入125，150，200，250，300，350，400mL的水，保持其他條件相同（氣壓為5×105Pa，分別進(jìn)行發(fā)射.

3）分別測(cè)量水火箭的射程，測(cè)量結(jié)果如表1所示.表中V瓶為瓶的容積，V水為瓶?jī)?nèi)水的體積，s為水火箭的射程.

4）當(dāng)水的體積為250mL，即水的體積占瓶的容積1／5時(shí)的射程最遠(yuǎn)，為60.5m.實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在瓶?jī)?nèi)裝水量為450mL（占比為9／25）時(shí)，水火箭在飛行過程中，瓶?jī)?nèi)的水未噴完.這樣就增加了水火箭在飛行時(shí)的自重，使水火箭受重力的影響而提前墜落.實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)水火箭內(nèi)的氣壓與水量適當(dāng)時(shí)，才能飛得更遠(yuǎn)更高.

表1 發(fā)射艙內(nèi)注入不同體積的水時(shí)，測(cè)量的水火箭射程

3.2.2 探究水火箭的射程與箭體的形狀、發(fā)射艙容積的關(guān)系

1）將箭體的形狀、發(fā)射艙的體積不同的4個(gè)水火箭分別安裝在發(fā)射架上.

2）使發(fā)射艙內(nèi)的氣壓和發(fā)射的角度保持相同，分別進(jìn)行發(fā)射.

3）分別測(cè)量水火箭的射程，測(cè)量結(jié)果如表2所示，V艙為動(dòng)力艙的容積.

表2 動(dòng)力艙形狀不同時(shí)，測(cè)量的水火箭的射程

4）由表2可知，在形狀基本相同時(shí)，發(fā)射艙的容積越大，水火箭的射程就越遠(yuǎn).在容積相同時(shí)，動(dòng)力艙的形狀越細(xì)長(zhǎng)，水火箭的射程越遠(yuǎn).

3.2.3 探究水火箭的射程與瓶?jī)?nèi)氣壓的關(guān)系

1）將容積為600mL、內(nèi)裝150mL水的水火箭安裝在發(fā)射架上.

2）用同一個(gè)水火箭，分別打入不同氣壓的氣體，并記下水火箭發(fā)射時(shí)的氣壓值.

3）分別測(cè)量水火箭的射程，測(cè)量結(jié)果如表3所示，表中p為瓶?jī)?nèi)氣壓.

4）由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：瓶?jī)?nèi)的氣壓越大，經(jīng)過噴嘴噴出的水的推力就越大，水火箭獲得的速度也越大，水火箭的射程也就就大.即水火箭的射程隨著氣壓的增大而增大.

表3 發(fā)射氣壓不同時(shí)，測(cè)量的水火箭的射程

3.2.4 探究水火箭射程與瓶?jī)?nèi)液體密度的關(guān)系

1）分別測(cè)出黃酒、清水、鹽水、糖水、糖鹽水的密度（它們中的主要成分都是水）.

2）在同一個(gè)水火箭（600mL）的可樂瓶?jī)?nèi)分別裝上相同體積（150mL）的黃酒、水、鹽水、糖水、糖鹽水，然后將其分別安裝在發(fā)射架上，在相同的條件下發(fā)射.

3）發(fā)射后分別測(cè)量水火箭的射程，測(cè)量結(jié)果如表4所示.表中ρ為液體密度.

表4 瓶?jī)?nèi)液體不同時(shí)，測(cè)量的水火箭的射程

4）分析表中數(shù)據(jù)可知，瓶?jī)?nèi)所裝溶液的密度越大，水火箭的射程也越大.相比之下，使用密度較大的糖鹽水，增加了反作用力，從而可以使火箭獲得更大的推進(jìn)力，也就增大了水火箭的射程.即水火箭的射程隨瓶?jī)?nèi)所裝溶液的密度的增大而增大.

3.2.5 探究水火箭的射程與發(fā)射角度的關(guān)系

1）將完全相同的水火箭，先后分別安裝在發(fā)射架上.

2）調(diào)整它們發(fā)射的角度，分別為20°，30°，40°，45°，50°，60°，70°.

3）發(fā)射后分別測(cè)量水火箭的射程，測(cè)量結(jié)果如表5所示.表中θ為水火箭的發(fā)射角度.

表5 水火箭的發(fā)射角度不同時(shí)，測(cè)量的水火箭的射程

4）由表中記錄的數(shù)據(jù)可知：發(fā)射角在50°左右時(shí)，水火箭的射程最大.當(dāng)發(fā)射角太小時(shí)，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且飛行時(shí)間短，造成射程小.當(dāng)發(fā)射角度太大時(shí)，其向上分力雖大，但向前分力太小，造成“射得高，但射不遠(yuǎn)”的情形.

4 結(jié)束語

綜上所述，影響水火箭射程的主要因素有噴水質(zhì)量、氣體壓強(qiáng)、發(fā)射角度、外型結(jié)構(gòu)等.其中噴水質(zhì)量和氣體壓強(qiáng)是影響水火箭水平射程的動(dòng)力性因素.發(fā)射角度、外型結(jié)構(gòu)則是影響水火箭水平射程的技術(shù)性因素，其中的發(fā)射角度是從提高動(dòng)力的角度思考的，外型結(jié)構(gòu)是從減小阻力的角度思考的.當(dāng)然，影響水火箭射程的因素還有很多，如發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)向和風(fēng)力也會(huì)影響射程，風(fēng)力較大時(shí)，逆風(fēng)射程較近，順風(fēng)射程較遠(yuǎn)，等等.