如何使“水火箭”飞得更高

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1、如何使“水火箭”飞得更高X高中高一年级学生：安存昌指导老师：侯国强-6-如何使“水火箭”飞得更高摘要：本文尝试利用中学生掌握的物理和数学知识，包括运动、力及方程和函数等，对水火箭的运动进行分析，构建理想化模型并讨论水火箭的发射仰角，充水量，稳定性等对水火箭飞行高度的影响。通过实验和科学分析论述了如何能使水火箭达到最大飞行高度。关键词：水火箭、抛体运动、飞行高度、充水量、稳定性问题的提出科技迅猛发展的今天，人们不再把目光局限于熟知的大地，高山和海洋，探索宇宙成了一个新的热点。随着神舟系列飞船和“嫦娥一号”成功升天，我国在实现千年飞天奔月的征途中阔步前进，一次次创

2、造新的辉煌，也一次次在社会上掀起航天高潮。为了培养青少年的爱国热情，增强科学素养以及航空航天的基本原理，全国各高校和地区争先恐后地开展了一系列科普教育活动。而“水火箭”无疑是最受推崇的科技活动之一。水火箭又称水推进火箭、气压式喷水火箭。顾名思义是利用箭内的水提供推动力的。水火箭大体由动力舱、箭头、尾翼组成。在发射时，先向动力舱内注入一些水，然后用打气筒或打气机向内充入空气。当动力舱内水面以上的气压增大到一定量时，便会推动水从喷水口急速喷出，反推水火箭向上飞行。水火箭的结构和充水量直接决定了它的飞行高度和稳定性能，那么如何控制这些因素才能使水火箭飞得更高呢？研究

3、目的水火箭是寓教于乐、科技含量高，深受广大青少年喜爱的动手、动脑的科普教材。可以让学生直观了解运载火箭、导弹的发射升空、收回的过程。并且可以解释牛顿第一、第二、第三定律，了解一些基本的空气动力学、流体力学和飞行力学等方面的知识。使广大青少年了解航天科技，热爱航天科技，为国家航空航天事业培养优秀人才。建立物理模型V00VyVx（水平位移）xy(飞行高度)在水火箭的测试过程中，水火箭的最大飞行高度是测试的主要项目。分析可知：水火箭在假设不受空气阻力的情况下做斜抛运动，即它的运动轨迹是一条抛物线。如图所示，水火箭的运动轨迹为一条曲线，我们假设它的初速度为v0,则什么

4、时候最大飞行高度ymax最大。如图，把初速度v0分解为vx(即水平方向的分速度)和vy(即竖直方向的分速度)，v0与水平方向夹角为θ，飞行时间为t可知：vy=v0*sinθ根据物理学中抛体运动规律可知飞行高度y为由以上可知：-6-飞行高度与发射角度的关系正弦函数最大值为1，所以sin2θ的最大值也为1，由此可知水火箭的最大飞行高度，即此时sin2θ=1得：θ=90o也就是在理想状态下当发射仰角为90o时，水火箭的飞行高度达到最大。在实际发射中，水火箭要受到空气阻力的影响，但我们发现仍是当发射仰角为90o时，水火箭的飞行高度最大。飞行高度与充水量的关系水火箭利用

5、水作为推进剂，那么水量的多少就显得尤为重要，若用太大的容器作动力舱装很多水，则充气气压很难达到要求。在容器容积一定时，水量越多，空气体积就越小，不仅使得充气困难，还使水火箭本身质量太大难以高飞。那么一定空间装多少水才合适呢？由流体力学伯努利方程（）得：①本式中，ρ为水的密度，v为动力舱内水面的下降速度，v0为瓶口处水的速度，h为水面的初始度度，h0为t0时刻水面的高度，P为舱内的初始压强，P0为t0时刻舱内的压强。由流体的连续性原理得：v0s0=vs②本式中，s0瓶口处的内截面面积，s为动力舱（瓶身）的内截面面积。当动力舱内的气体一定，忽略因压强改变对温度引起

6、的细小变化时，则气体压强与体积成反比，即：③本式中，V为动力舱的容积。因为s>>（远远大于）s0，所以v<

7、增大初末质量比是提高飞行高度的有效途径，即调整充水量增大初末质量比。根据实际观测，水火箭在上升过程中并不总是竖直向上升，经常横着或侧着箭体上升。为提高水火箭的稳定性，就必须考虑空气阻力。首先要把水火箭的顶部做成尖的，以便气流的通过；在发射时，应使用铁架台（或三角架）把水火箭支住以便它能竖直升空。另外安装尾翼也是一项提高稳定性的重要措施，尾翼能帮助水火箭在空中飞行时保持竖直向上的状态。实验检验实验器材：A组：1个500ml饮料瓶，铁架台（带铁圈），橡皮塞，气门芯，打气筒，刻度尺，500ml量筒；B组：1个2000ml饮料瓶，铁架台（带铁圈），橡皮塞，气门芯，打气

8、筒，刻度尺，1000ml量筒；C组：1