王太軍 尹克利

摘 ? 要：“水火箭”實驗是普通高中物理教學中重要的學生趣味實驗活動，但其存在不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等問題，常常挫敗學生的積極性。經(jīng)設計改進后的新型火箭升空實驗裝置，利用霧化后的酒精與空氣充分混合，在電火花作用下瞬間引燃，借助噴出大量高熱氣體獲得反推動力而升空，其上升高度可以通過向箭體內噴灑酒精的劑量來調節(jié)控制。通過遙控方式點火，安全可控性較好，成本低廉，便于制作使用，克服了已有“水火箭”存在的諸多固有缺陷，教學應用效果良好。

關鍵詞：自制教具;新型火箭模型;水火箭;教學應用

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）5-0079-2

“水火箭”是普通高中物理教學中“動量守恒定律”和“反沖現(xiàn)象”重要的實驗，是《普通高中物理課程標準（2017年版）》中“選擇性必修1”課程模塊中建議的學生實驗活動[1]?！八鸺笔抢脧募w塑料瓶內噴出的高速水流產(chǎn)生反推力從而推動“水火箭”上升，但遺憾的是，“水火箭”攜帶水量以及箭體塑料瓶氣密性問題得不到很好的解決，“水火箭”不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等問題常常挫敗學生的積極性?；诖?，筆者經(jīng)過長期測試和應用實踐，設計改進的新型火箭升空實驗裝置，可以較好地解決“水火箭”存在的主要缺陷，教學效果良好。

1 ? ?實驗原理與設計簡圖

本新型火箭升空實驗裝置的原理是利用霧化后的酒精迅速揮發(fā)與空氣混合后形成的酒精空氣混合物，在電火花作用下瞬間引燃，借助噴出大量高熱氣體獲得反推動力，從而使模型火箭體升空。

本新型火箭升空實驗裝置設計的結構主要由模型火箭體、發(fā)射架兩大部分組成，其中模型火箭體由高強度、輕質阻燃材料（可用容積較大的“易拉罐”代替）制作而成，可以有效防止燃燒后的高溫高壓氣體對模型火箭體的損壞;發(fā)射架主要由電子點火器、擋物盤、三腳架、遙控按鈕等部分組成，可以進行多角度調節(jié)，可實現(xiàn)模型火箭體的豎直上升、斜拋和平拋等運動。使用時主要將模型火箭體置于發(fā)射架的擋物盤上，通過遙控電子點火方式引燃模型火箭體內的酒精空氣混合物，即可發(fā)射火箭，其裝置結構如圖1所示。

2 ? ?操作步驟及其在物理教學中的使用

本新型火箭升空實驗裝置，在物理教學中的使用方法與步驟（以豎直發(fā)射為例）如下：

（1）將發(fā)射架置于空曠地帶，調節(jié)發(fā)射架三腳架，使發(fā)射架中的電子點火器桿豎直，并備好濕棉布待用;若條件允許，最好能佩戴護目鏡、阻燃材質的防護服和手套等。

（2）手握住模型火箭，用盛有95%濃度酒精的花露水瓶向模型火箭噴氣口內噴灑酒精，視當?shù)貧鈮?、濕度適當增減噴灑酒精量（一般按壓噴頭3～5次即可），酒精噴灑完成后，可以向模型火箭內吹氣，使模型火箭體內酒精與空氣充分混合。

（3）將模型火箭的噴氣口向下，使電子點火器電火花發(fā)生端緩慢插入模型火箭塑料瓶內，將模型火箭置于發(fā)射架的擋物盤上，并使箭體豎直。

（4）打開電子點火器的電源開關。

（5）操作人員遠離模型火箭發(fā)射架，并選擇在較遠安全處準備按壓遙控點火鍵。

（6）待其他人員離開模型火箭一定距離后，擇機按壓點火鍵。通常情況下，伴隨“嘣”的一聲，模型火箭內的酒精空氣混合物瞬間被引燃，噴出大量高熱的氣體，模型火箭體驟然升空。

（7）安全收置模型火箭體。由于模型火箭體內氣體對外瞬間做功和運動過程中外部氣流影響，其內部溫度急劇下降，溫度甚至降至酒精的著火點以下，所以落地后的模型火箭體內通常不會存在酒精燃燒的情況。但是，為了做到盡可能安全，建議在模型火箭體發(fā)射升空落地后及時用濕棉布捂住模型火箭體噴氣口一段時間，防止其內部酒精繼續(xù)燃燒。因為酒精燃燒的火焰顏色淺淡，極不易被發(fā)現(xiàn)，此步驟是為了盡可能消除箭體落地后的安全隱患。

此外，若要實現(xiàn)模型火箭體的斜拋和平拋等運動，可以通過調節(jié)三腳架改變電子點火器直桿的仰角來實現(xiàn)，操作與上述步驟一致。值得一提的是，本新型火箭升空實驗裝置上升的高度可以通過向箭體內噴灑的酒精劑量來調節(jié)控制，初次使用時酒精不要過量，以防止上升太高下落后傷及他人（亦可通過加裝降落傘裝置來降低風險）。

3 ? ?教學應用的效果與優(yōu)勢

本新型火箭升空實驗裝置能形象地展示火箭點火升空的物理科學原理，尤其是在暗光背景下，發(fā)射瞬間還能看到模型火箭體噴氣口噴出的淡藍色火焰，形象地還原了航天火箭點火升空的真實情景。本實驗克服了在教學中目前僅能用Flash動畫、視頻來展示航天火箭升空以及“水火箭”不易起飛、飛不高、噴水淋濕衣服等缺陷，讓學生能更直觀地體驗火箭點火升空的瞬間，增強學生的民族自豪感和愛國熱情。本新型火箭升空實驗裝置，可以用于普通高中物理“動量定理和動量守恒定律”部分的教學，可拓展應用于“勻變速直線運動”“平拋運動”“斜拋運動”“自由落體運動”等內容的綜合實驗探究。

新型火箭升空實驗裝置不但取材簡便、成本低廉，而且發(fā)射后模型火箭體的上升高度可以通過向其內部噴灑酒精的劑量來精確控制，室內、室外均可使用，而且安全性完全可控;可以用作演示實驗教學，也可以作為學生分組探究實驗。在物理教學應用中，學生驚嘆不絕，其教學效果十分顯著。同時，該實驗還可作為初、高中學生課外科技創(chuàng)新實踐活動、通用技術、STEAM教育中的趣味教學內容，方便學生親身體驗和動手制作。

綜上，本新型火箭升空實驗裝置克服了當前高中物理教學中“水火箭”[2]攜帶水量比例和氣密性不良、操作不便等固有缺陷，與已有相關研究相比[3]，本新型實驗裝置更加輕量化、小型化和簡約化，方便攜帶和操作，能更加真實地還原航天火箭發(fā)射的真實情景。在激發(fā)學生物理學習興趣和求知欲的同時，通過深度參與科學探究，激活學生的科學思維，促進學生物理觀念的生成和科學態(tài)度與責任感的養(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。

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）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018：24.

[2]李梅.水火箭的制作與發(fā)射[J].物理教學，2008，30（10）：61-62.

[3]李江，尹紅.帶延時降落傘的二級分離水火箭的制作與發(fā)射[J].物理教學探討，2019，37（3）：48-50.

（欄目編輯 ? ?李富強）