研究性学习组课题研究成果报告

水南中学高一（8）班物理研究性学习组课题

研究成果报告

随着时代的发展和社会的进步，学生的动手能力和实践操作能力越来越重要。结合我国目前的国情，航天科技迅速发展“神五”、“神六”、“嫦娥一号”相继发射成功，为更好了解导弹,运载火箭的发射升空,回收的过程,体验导弹的飞行与飞机的飞行原理及不同点，了解航天科技，热爱航天科技,我们物理研究性学习小组在查找资料之后动手制作水火箭。

根据查找的资料：“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动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞。灌入一定数量的水，利用打气筒充入空气到达一定的压力后发射。是利用水和空气的质量之比（水的质量是空气的816倍），压力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，最后达到一定高度,在空中打开降落伞徐徐降落的火箭模型。”我们于2009年3月开始动手进行探究性学习。

在制作完实验器材后，我们进行了第一次试验，试验结果并不理想。在组长曹隽羽的主持下，召开了一个研讨会，内容是“制约‘水火箭’发射高度的因素有哪些。”郑华同学说：“‘水火箭’发射高度与‘水火箭’自身的质量有关。”金炯民：与瓶内的气压有关。郦雪琪：与瓶中灌水的质量有关。钟思远：与“水火箭”的外部形状有关。罗斌：与瓶口的橡皮塞和金属气门的质量有关。

上述同学在提出自己的假设之后，都对假设的“因素”进行了推理和验证，提出了自己的理论依据。

下面仅举一位同学的假设与求证。

假设：“水火箭”发射的高度与“水火箭”的质量有关。

求证：设“水火箭”自身的质量为m1，发射速度为v1。所谓“水火箭”的发射速度是指水、塞和气门喷出时“火箭”向上的即时速度。被高压气体向下喷出的水、橡皮塞和金属气门总质量为m2，喷射物向下喷射的速度为v2。由动量守恒定律有：

m1v1+m2（-v2）=0

∴v1=m2v2/m1

说明：v1与m2、m1、v2有关。

如果m2、v2保持不变，则“水火箭”发射时的速度与自身的质量成反比，即：m1越小，v1越大，v1越大，发射越高。

故“水火箭”的发射高度与“水火箭”的质量有关，即m1越小，发射越高。

组长曹隽羽说：“我推出‘水火箭’发射速度公式v1=m2v2/m1，应该是正确的。我们来做一个实验证明‘水火箭’质量m1越小，发射速度v1越大，发射越高。”金炯民：在研究一个变量与几个变量的函数关系时，我们可以选用两个形状、大小完全相同，里面灌水的质量、橡皮塞和气门的总质量m1相同的“水火箭”，将其中一火箭瓶颈上绑上一块环形铁块，使两个“火箭”的质量不同，进行发射对比实验。郦雪琪：你的假设实验只控制了一个变量m2不变，还有水、塞子和气门向下喷出的速度v2如何控制，使它们相同呢?戚佳斌：我想出了一个办法，让两个瓶口的塞子塞得松紧程度一样，打气后，高压气体冲开瓶塞时的压强就会一样大，产生向下的推力也一样大，喷出水和橡皮塞的速度v2就会一样了。大家异口同声说：“对，对，两个变量控制问题解决了。”

然后通过实验证明：通过对比发射，“水火箭”发射的高度与“水火箭”自身的质量有关，即质量越小，发射的高度越高。

同理经过反复的理论推导和实验验证得出以下结论:

1.水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系：

通过实验得出，当水量为1／4时，水火箭飞地最高．由实验结果看出：气压与射程成正比．这是因为气压越大，喷水的力量越大，水火箭的冲量越大，水火箭做反冲运动．而在发射水量为1000ml以上时，水火箭中的水未喷完，由于气压减小就停止了加速，增加水火箭的重量，使水火箭受重力影响而提前坠落了．质量越大，所需提供的动量就越大，当质量一定时，速度越大动量越大．而提高速度的方法是提高单位时间内的喷水量．所以，只有当水火箭内的气压与水量适当时，才能飞地更远更高．2.怎样提高水火箭的稳定性．

水火箭在上升过程中，并不是竖直向上升的，经常横着或侧着瓶身上升．这就要求我们必须提高它的稳定性，使它竖直上升．提高它的稳定性，就得考虑大气阻力的作用．首先，水火箭顶部应为尖的，以便于减小空气阻力；其次瓶体形状应接近流线型，这样便于气流的通过；要使它竖直上升，还要在放置的时候使它竖直，我们就取了一个三角架，把水火箭支住（不是紧套）使它能竖直地立着．

3.发射轨道对射程的影响．

实验结果显示：有轨及无轨发射器在同一冲量所造成的射程都差不多，可见有无轨道都不影响射程．但在冲量越小时，无轨发射器发射的水火箭容易常常偏离预定方向；而有轨发射器因为有两个支点，使水柱喷射时不易产生其他方向的分力，因此水火箭能精确的直线前进．所以，有轨发射器在准确度上胜于无轨发射器．

4.弹头重量对发射轨道的影响．

由实验可知：未加前置填充物的弹头，因受到尾翼质量的影响，重心明显偏后．这时候，因为物体旋转时的中心为重心，所以我们可以把重心G当成支点，则在只受重力的情况下弹头即成一个以G为支点的平横杠杆．在飞行时，弹头A与弹尾B将受到相同的风阻影响，但由于力臂不同（AG＞AB），所以A点所产生的力矩大于B点，故水火箭即会旋转影响航道．所以我们必须放前置填充物，将重心G向A移动，使力臂A G＝BG（即水火箭的中点），这样A、B产生的力矩才会相同，达成平衡．但是如果前置填充物放得太多，重心偏前，造成力臂AG＜BG，力矩A＜力矩B，则又会变成旋转的情形，而造成反效果．所以，由实验的结果得知，填充物约65g为最好，而此时重心正好位于首尾中点．当然，这个质量是不确定的，因水火箭的不同而异．

5.发射仰角的影响．

水火箭的斜发与斜抛有关，所以由理论可得发射仰角为45°时，飞行距离最长．但由发射的结果得知：在发射仰角50°到55°之间（约为52°）时，可以达到最大的射程．当发射仰角太小时，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且由于水火箭的重量受地球引力的牵引，使其容易落下，造成射程缩短．而当角度太大时，其向上分力虽大，但向前分力太小，以至于射程太短，行成“射得高，但射不远”的情形．所以在水火箭的发射角度方面，须考虑向上分力及向前分力适中、各种外界因素的影响以及发射仰角．