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。

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

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：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。共2页，当前第1页12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：

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、努力求知的积极态度。在整个活动中，同学们参与面大，情感积极，配合默契，方法科学，具有不懈的探索精神和强烈的创新欲望，是一次非常成功的研究性学习过程，是一次大胆的探究教学过程。同时，它展示了新课改形势下一种平等互动的新型的师生关系，给研究性学习和探究性教学提供了极有价值的范例。（点评者：江松涛）