關于水火箭的制作與影響水火箭水平發射的因素

高畢術，徐宇翔，王子川，李心果，梁潤心，徐雯琪

南京師范大學附中高三（2）班

關于水火箭的制作與影響水火箭水平發射的因素

高畢術，徐宇翔，王子川，李心果，梁潤心，徐雯琪

南京師范大學附中高三（2）班

水火箭是一種利用質量比和氣壓作用而設計的玩具，可以模擬火箭飛行的原理，同因為利用水作為推動力所以稱為水火箭。水火箭是物理教學中著名的案例之一，可以通過手動的實驗與理論的分析，讓我們體會到實驗物理的趣味性。關于水火箭的水平發射，影響其飛行距離的因素有很多，我們希望通過實驗來探究其中的關系。

水火箭；制作；控制變量；實驗物理；歸納總結

一、緒論

水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水推進火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成具有動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分的類似于火箭的玩具。向水火箭中灌入一定量的水，用打氣筒向水火箭內充入空氣，利用水和空氣的質量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速噴出，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、慣性滑翔在空中飛行，像導彈一樣有一個飛行軌跡。

本課題的第一個研究方向就是研究水火箭的制作。這是物理學科與技術學科的綜合應用，在制作的過程中就大致對水火箭的原理有一定的了解，同時通過制作鍛煉同學的制作能力。

本課題的第二個研究方向也是本課題的重點就是探究影響水火箭水平發射的因素。通過實驗與數據的記錄來大致分析影響水火箭水平發射的因素。根據我們已有的物理學知識可以確定的是，影響水火箭水平發射的因素可能有：打氣次數、水量、發射角度、水火箭自身材料、當時天氣等。因為像天氣之類的因素無法控制，所以我們將對打氣次數、水量、發射角度等可控因素進行實驗，探究它們與水火箭水平發射的關系。

二、實驗探究

1、水火箭的制作［1］

材料準備：

2個500mL的可樂瓶、剪刀、訂書機、膠帶。

制作過程（成品如圖所示）：

（1）將兩個可樂瓶洗凈。

（2）將其中一個瓶子沿商標剪成三段：瓶口段、商標段和瓶底段。

（3）將另一個可樂瓶倒扣在商標段中，并用膠帶粘牢（此瓶口為注水口）。

（4）將瓶口段以反方向倒扣在完整可樂瓶的瓶底，并用膠帶粘牢。

（5）將注水口的瓶蓋擰下，換上已經準備好的瓶口塞。

注意事項：小心使用剪刀，切開的瓶子的部分比較扎手，制作安全。

2、試驗性發射，體驗水火箭發射

3、對影響水火箭水平發射的因素的猜測與假設

因為水火箭的水平發射是一種類斜拋的運動，所以我們可以結合現有知識對影響水火箭水平發射的因素進行猜測：打氣次數、水量、發射角度、水火箭自身材料、當時天氣等。

（可能會用到的公式，在忽略空氣阻力的條件下：

其中Vo為拋出速度，θ為速度與水平面夾角，g為重力加速度）

（1）打氣次數

因為水火箭是利用水和空氣的質量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速噴出，在反作用下使水火箭快速上升。所以我們猜測：在其他條件都相同且在每次打氣進入水火箭的體積相同的情況下，打氣次數與水火箭的水平發射距離呈正相關的關系。

（2）水量

因為水火箭是利用水噴出時的反作用力使水火箭快速上升形成類斜拋運動。但是過多的水量又會加大水火箭的重量。所以，我們猜測：在其他條件都相同的情況下，水量的多少與水火箭的水平發射距離在一定范圍內呈正相關的關系。

（3）發射角度

根據上述公式，可以發現水平位移與發射角θ有關系。在上式中，當θ=45°時，水平位移取到最大值。但由于真正的水火箭發射時有空氣阻力，且水火箭在整個飛行過程中并非只受到重力，且沒有初速度，只是會在發射的一開始階段因反作用力很大，會很快達到一個速度。所以我們猜測發射的最佳角度大約會在45°左右。

（4）水火箭的材料

①因為水火箭會利用水和空氣的質量之比，壓縮空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速噴出，所以瓶內的壓強會因為充氣變得很大，所以在充氣時，瓶的材料會因為材質不同導致形變的不同，影響發射。

②同時材質的密度不同會導致瓶體的重量不同，也會影響發射的水平位移。

（5）當時的天氣狀況

①空氣阻力會影響水火箭的發射，晴天和陰天的大氣壓不同，所以在不同天氣下發射會有差異。

②風力也是影響水火箭發射的重要因素之一。因為水火箭在飛到一定高度時水會全都使用完，而此時就相當于一個重量很輕的空瓶子，此時水火箭收到的風力的影響較大。

（6）其他因素

①周圍雜音的影響。

②使用的水的水質與成分。

③溫度。

……

4、實驗

因為在猜測的因素中，第四與第五個因素不好控制與測量，所以本次實驗主要探究打氣次數、水量、發射角度等可控因素對水火箭水平發射的距離的影響。同時，為了盡量避免空氣阻力與風力對實驗的影響，我們選擇了在晴天無風的狀態下進行實驗。同時我們選擇在學校放假時的操場，沒有太多噪音的影響。溫度為20℃左右的室溫。

（1）實驗操作

①裝水。

②將水火箭與發射臺緊密連接。

③調節角度。

④使用打氣筒打氣。

⑤發射。

⑥測量發射臺到落地點的距離。

⑦記錄數據。

注意事項：

①在實驗過程中小心使用水火箭，盡量減少對水火箭的破環，如擠捏瓶子使瓶壁上有折痕。

②裝水時要用量杯測量水量，保證水量的準確。

③使用打氣筒打氣時要盡量做到每一次都將打氣筒桿上下打氣所變化的位移一樣，保證每次打氣進入水火箭的體積相同。且打氣的頻率要平緩一點。

④發射臺的位置要固定。

⑤不要對著人發射。

（2）數據整理

（3）數據分析

①打氣次數與水火箭的水平發射距離一定呈正相關的關系。

②瓶裝為500mL的可樂瓶，裝水量大致在200mL時發射得最遠。

③發射角度大約在40°左右時水平距離最遠。

（4）誤差分析

①水火箭發射時操作的誤差。

②測量的誤差。

③環境誤差。

（5）結論分析

①打氣次數與水火箭的水平發射距離基本呈正相關的關系。基本符合之前猜測的推論。

②要使水火箭發射的距離較遠，水火箭用水量和火箭容氣空間需要有一定的比例。大約在容積的2/5左右為最佳。

③發射角度大約在40°左右時水平距離最遠。比45°略小一點。但也基本符合猜測的推論

三、結論

1、打氣次數與水火箭的水平發射距離呈正相關的關系。

2、要使水火箭發射的距離較遠，水火箭用水量和火箭容氣空間需要有一定的比例。

3、發射的最佳角度大約會在45°左右。

四、實驗感受

在這次課題的研究中我們感受到了實驗物理與理論物理之間的聯系，知道了物理在生活中簡單的應用。同時，在實踐的過程中，培養在實踐中反復探究、遇到問題采取反復實踐、借助已有生活經驗、學習他人經驗等方法去再創造，不斷解決問題的能力，同時提高創造能力培養學生的合作精神，探究意識及認真細致、敢于創新、一絲不茍的科學態度。這次的水火箭探究課題對我們每一位組員都有很大的幫助。

五、特別鳴謝

感謝每一位組員的參與，感謝指導老師劉文慶的指導與幫助，感謝南師附中為我們提供實驗的場地。

［1］風格.《一百個科技小制作》［M］.北京：中國少年兒童出版社，1997

指導老師：劉文慶。

高畢術（1999-），男，南京師范大學附中高三理工男，喜歡動手，水火箭、機器人、拼裝結構，都是最愛！薩克斯、吉它、街舞、唱歌是生活的小情調，籃球、乒乓球是生活的小佐料！