關于水火箭水平射程的實驗探究

方紅霞

（揚州大學附屬中學，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保型火箭飛行器.傳統的水火箭活動只著眼于如何制作和發射.筆者則重在引導學生用學過的物理知識和數學方法進行研究性學習，讓學生經歷設計、制作、發射、探究這4個過程，從中培養學生善于質疑、樂于探究、勤于動手的優良品質和同舟共濟、團結協作的團隊精神.

2 實驗準備

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，做成導流罩.

2）將第二個可樂瓶倒過來，把導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 自制發射架

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

制作過程：

1）把不繡鋼板加工成如圖2中的支架的形狀，做成可調節角度的支架.

圖2 自制發射裝置

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

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射架遠一些，加長了連接的氣管.

2.3 發射水火箭

發射步驟：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.把水火箭安裝到發射架上，向水火箭內打氣.水火箭發射成功后用皮尺測量射程，記錄測量數據.

3 科學探究

在水火箭的制作與發射過程中，學生發現有許多問題值得探究，尤其是水火箭的射程問題，更受到學生的關注.由于水火箭發射的高度不便測量，筆者引導學生圍繞水火箭水平射程問題，成立課題研究共同體，開展科學探究活動.

3.1 猜想假設

1）水火箭的射程可能與動力艙內的水的體積有關；

2）水火箭的射程可能與箭體的形狀、動力艙的容積有關；

3）水火箭的射程可能與動力艙內充入氣體的壓強有關；

4）水火箭的射程可能與噴出水的質量有關；

5）水火箭的射程可能與發射的角度有關.

3.2 實驗探究

根據上述的5個猜想假設，分組進行下列實驗探究.

3.2.1 探究水火箭的射程與發射艙內水的體積的關系

1）用容積V瓶為1 250mL的可樂瓶做動力艙進行發射實驗.

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

3）分別測量水火箭的射程，測量結果如表1所示.表中V瓶為瓶的容積，V水為瓶內水的體積，s為水火箭的射程.

4）當水的體積為250mL，即水的體積占瓶的容積1／5時的射程最遠，為60.5m.實驗還發現，在瓶內裝水量為450mL（占比為9／25）時，水火箭在飛行過程中，瓶內的水未噴完.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，只有當水火箭內的氣壓與水量適當時，才能飛得更遠更高.

表1 發射艙內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、發射艙容積的關系

1）將箭體的形狀、發射艙的體積不同的4個水火箭分別安裝在發射架上.

2）使發射艙內的氣壓和發射的角度保持相同，分別進行發射.

3）分別測量水火箭的射程，測量結果如表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，發射艙的容積越大，水火箭的射程就越遠.在容積相同時，動力艙的形狀越細長，水火箭的射程越遠.

3.2.3 探究水火箭的射程與瓶內氣壓的關系

1）將容積為600mL、內裝150mL水的水火箭安裝在發射架上.

2）用同一個水火箭，分別打入不同氣壓的氣體，并記下水火箭發射時的氣壓值.

3）分別測量水火箭的射程，測量結果如表3所示，表中p為瓶內氣壓.

4）由實驗數據可知：瓶內的氣壓越大，經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液體密度的關系

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射架上，在相同的條件下發射.

3）發射后分別測量水火箭的射程，測量結果如表4所示.表中ρ為液體密度.

表4 瓶內液體不同時，測量的水火箭的射程

4）分析表中數據可知，瓶內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力，也就增大了水火箭的射程.即水火箭的射程隨瓶內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射角度的關系

1）將完全相同的水火箭，先后分別安裝在發射架上.

2）調整它們發射的角度，分別為20°，30°，40°，45°，50°，60°，70°.

3）發射后分別測量水火箭的射程，測量結果如表5所示.表中θ為水火箭的發射角度.

表5 水火箭的發射角度不同時，測量的水火箭的射程

4）由表中記錄的數據可知：發射角在50°左右時，水火箭的射程最大.當發射角太小時，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.當發射角度太大時，其向上分力雖大，但向前分力太小，造成“射得高，但射不遠”的情形.

4 結束語

綜上所述，影響水火箭射程的主要因素有噴水質量、氣體壓強、發射角度、外型結構等.其中噴水質量和氣體壓強是影響水火箭水平射程的動力性因素.發射角度、外型結構則是影響水火箭水平射程的技術性因素，其中的發射角度是從提高動力的角度思考的，外型結構是從減小阻力的角度思考的.當然，影響水火箭射程的因素還有很多，如發射現場的風向和風力也會影響射程，風力較大時，逆風射程較近，順風射程較遠，等等.