探究“水火箭”发射的高度

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1、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“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，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

2、了同学的发言后说：“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：与瓶中灌水的质量有关。生T：与“水火箭”的外部形状有关。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

3、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1，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2，喷射物向下喷射的速度为v2。由动量守恒定律有：1v1+2（-v2）=0∴v1=2v2/1说明：v1与2、1、v2有关。如果2、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：1越小，v1越大，v1越大，发射越高。故“水火箭”的发射高度与“水火

4、箭”的质量有关，即1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检验自己假设的正确性。）三、实验探究会后，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=2v2/1，应该是正确的。我们做一个实验证明‘水火箭’质量1越小，发射速度v1越大，发射越高。”生：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，

5、里面灌水的质量、橡皮塞和气门的总质量1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2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：控制两个变量

6、相同：甲乙两个“水火箭”的喷射物的总质量2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”的橡皮塞控制。这样就使两个“水火箭”的2、v2满足相同的条，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

7、的结论。4月10日下午第三节（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：有人问：“‘水火箭’发射时满足动量守恒条吗?”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、

8、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。”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边介绍边指挥全组同学做出两个质量不同（其他条一样）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