方紅霞

（揚州大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇揚州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力的環(huán)保型火箭飛行器.傳統(tǒng)的水火箭活動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、制作、發(fā)射、探究這4個過程，從中培養(yǎng)學(xué)生善于質(zhì)疑、樂于探究、勤于動手的優(yōu)良品質(zhì)和同舟共濟(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊精神.

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

3）再用塑料瓶剪出4個大小適宜的平衡翼.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)射成功后用皮尺測量射程，記錄測量數(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.

3.1 猜想假設(shè)

1）水火箭的射程可能與動力艙內(nèi)的水的體積有關(guān)；

2）水火箭的射程可能與箭體的形狀、動力艙的容積有關(guān)；

3）水火箭的射程可能與動力艙內(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 實驗探究

根據(jù)上述的5個猜想假設(shè)，分組進(jìn)行下列實驗探究.

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的可樂瓶做動力艙進(jìn)行發(fā)射實驗.

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）分別測量水火箭的射程，測量結(jié)果如表1所示.表中V瓶為瓶的容積，V水為瓶內(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時的射程最遠(yuǎn)，為60.5m.實驗還發(fā)現(xiàn)，在瓶內(nèi)裝水量為450mL（占比為9／25）時，水火箭在飛行過程中，瓶內(nèi)的水未噴完.這樣就增加了水火箭在飛行時的自重，使水火箭受重力的影響而提前墜落.實驗表明，只有當(dāng)水火箭內(nèi)的氣壓與水量適當(dāng)時，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，測量的水火箭射程

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）分別測量水火箭的射程，測量結(jié)果如表2所示，V艙為動力艙的容積.

表2 動力艙形狀不同時，測量的水火箭的射程

4）由表2可知，在形狀基本相同時，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，動力艙的形狀越細(xì)長，水火箭的射程越遠(yuǎn).

3.2.3 探究水火箭的射程與瓶內(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）用同一個水火箭，分別打入不同氣壓的氣體，并記下水火箭發(fā)射時的氣壓值.

3）分別測量水火箭的射程，測量結(jié)果如表3所示，表中p為瓶內(nèi)氣壓.

4）由實驗數(shù)據(jù)可知：瓶內(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，測量的水火箭的射程

3.2.4 探究水火箭射程與瓶內(nèi)液體密度的關(guān)系

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

2）在同一個水火箭（600mL）的可樂瓶內(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)射后分別測量水火箭的射程，測量結(jié)果如表4所示.表中ρ為液體密度.

表4 瓶內(nèi)液體不同時，測量的水火箭的射程

4）分析表中數(shù)據(jù)可知，瓶內(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內(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)射后分別測量水火箭的射程，測量結(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，測量的水火箭的射程

4）由表中記錄的數(shù)據(jù)可知：發(fā)射角在50°左右時，水火箭的射程最大.當(dāng)發(fā)射角太小時，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且飛行時間短，造成射程小.當(dāng)發(fā)射角度太大時，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)場的風(fēng)向和風(fēng)力也會影響射程，風(fēng)力較大時，逆風(fēng)射程較近，順風(fēng)射程較遠(yuǎn)，等等.