探究“水火箭”发射的高度

1 / 6 探究“水火箭”发射的高度 探究 “ 水火箭 ” 发射的高度深圳市华茂实验学校 刘天海 一、发现问题 在讲授了（必修加选修）高二物理第八章 “ 动量 ”之后，同学们对动量守恒的理论产生了浓厚的兴趣，想探究一下该理论的科学性。于是在班长的带领下，物理兴趣小组的同学们按照动量守恒的条件，利用塑料饮料瓶制作了大大小小的 “ 水火箭 ” 十多个。经过试射，全部发射成功。同学们都非常高兴。但是 c 同学却提出了一个问题： “ 我制造的 环保 1 号水火箭 发射了五次，但每次发射的高度不一样，有时低有时高，这是什么原因呢 ?怎样才能 让 水火箭 每次都发射得很高呢 ?” 刘老师听了 c 同学的发言后说： “ 这说明我们还没有把握制约 水火箭 发射高度的因素。 ” 听了老师的话，大家觉得有理，于是集体决定，下一步就来研究 “ 水火箭 ” 发射的高度到底与哪些因素有关。 二、大胆猜想 在班长的主持下，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。 ” 程海狮同学说： “ 水火箭 发射高度与 水火箭 自身的质量有关。 ” 生 Z：与瓶内的气压有关。 生 W：与瓶中灌水的质量有关。 生 T：与 “ 水火箭 ” 的外部形状有关 。 2 / 6 生 V：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。 （刘老师在研讨会上对同学的大胆假设与推理给予了点评，并鼓励大家通过实验来检验自己假设的正确性。） 三、实验探究 3 / 6 会后，全班分成四个实验小组，开展了认真而细致的实验探究活动。各 组根据自己的假设，分别进行了对比发射实验。下面，记录了第一实验小组进行探究性实验活动的过程。 该小组的组长说： “ 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。 ” 生 m：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。 生 X：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 ? 生 T：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。 ” 下面是程海狮小组研制做对比发射用的两个 “ 水火箭 ” 的设计图： 4 / 6 控制两个变量相同：甲乙两个 “ 水火箭 ” 的喷射物的总质量 m2相同；甲乙两个 “ 水火箭 ” 向下喷射的速度 v2相同，由一位同学使用同样的力度塞紧甲、乙两个 “ 水火箭 ” 的橡皮塞来控制。这样就使两个 “ 水火箭 ” 的 m2、 v2 满足相同的条件，让甲 “ 水火箭 ” 的质量乙 “ 水火箭 ” 的质量，然后，对比发射。 实验结果：乙 “ 火箭 ” 比甲 “ 火箭 ” 发射的高度要高，即 “ 火箭 ” 质量小的比 “ 火箭 ” 质量大的射得高。 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。 四、表达交流 全班四个实验探究小组经过多次反复对比实验，都获得了 2 4 个正确的结论。 4 月 10 日下 午第三节课（课外活动时间），高一（ 4）班在学校体育馆大门前召开了 “ 水火箭 ”探究成果新闻发布会和汇报实验活动。邀请了学校领导、各学部领导、全校所有物理教师和有关教师、部分同学参加。 新闻发布会和汇报实验活动主持人、班长宣布活动开始。他接着问参加实验的同学： “ 水火箭 发射的原理是什么 ?” 第三实验小组组长 c 回答说： “ 发射原理是动量守恒定律。 ” 并在小黑板上画出了发射原理图： 5 / 6 有人问： “ 水火箭 发射时满足动量守恒条件吗 ?” c 小组的一位同学回答说： “ 虽然整个系 统在发射时合外力不等于 0，但高压气体对火箭向上的推力和对水、瓶塞及气门向下的推力比系统的重力大很多，所以可以忽略系统的重力，因此，可以看成是满足动量守恒的条件。 ” 全场一百多人对这位同学的回答报以热烈的掌声。 主持人又问： “ 水火箭 发射的高度与哪些因素有关 ?” 第一实验小组组长站出来边介绍边指挥全组同学做出两个质量不同（其他条件一样）的火箭的对比发射。 实验结果：火箭质量小的发射的高度高。 全场又一次响起了雷鸣般的掌声。 接着，第二、第三、第四实 验小组也先后用同样的控制变量法，进行了对比实验，效果完全一致。 最后，班长向全场领导、老师和同学宣布 “ 水火箭 ” 发射的高度与下列因素有关： 1与火箭的质量有关：质量越小，发射越高； 2与火箭内的气压有关：气压越大，发射越高； 3与火箭喷射物（水、橡皮塞和气门）的质量有关：灌水的体积在整个容积的 2/5左右时，发射高； 4与火箭体形有关：火箭呈流线型时，发射高。 刘老师最后说： “ 水火箭 发射的高度还与很多因素6 / 6 有关，还需要我们继续探究。 ” 点评： 刘老师指导下的 “ 探究 水火箭 发射高度 ” 的研究活动，是学生自主参与类似于科学研究的学习活动。同学们自己发现问题，自己提出假设，自己实验探究，自己表达交流。他们通过亲身体验，表现了善于质疑、乐于探究、勤于动手、努力求知的积极