关于水火箭水平射程的实验探究

方红霞

（扬州大学附属中学，江苏扬州225002）

1 引 言

水火箭是利用常见的可乐瓶为材料，以反冲作用为原理，以压缩空气和高速水流为动力的环保型火箭飞行器.传统的水火箭活动只着眼于如何制作和发射.笔者则重在引导学生用学过的物理知识和数学方法进行研究性学习，让学生经历设计、制作、发射、探究这4个过程，从中培养学生善于质疑、乐于探究、勤于动手的优良品质和同舟共济、团结协作的团队精神.

2 实验准备

2.1 自制水火箭

自制的水火箭如图1所示.

图1 自制水火箭

1）取一个1 250mL的可乐瓶，用美工刀切下大约1／3瓶高的瓶口部分，做成导流罩.

2）将第二个可乐瓶倒过来，把导流罩套在第二个可乐瓶的瓶底，用双面胶粘紧.

3）再用塑料瓶剪出4个大小适宜的平衡翼.太大的平衡翼很重，影响射程；太小的平衡翼则起不到平衡作用，影响飞行方向.

4）装上喷水嘴.

2.2 自制发射架

从市场上购买的水火箭发射架有不安全因素，不能使水火箭与发射架有效脱离，水火箭尾翼在升空时容易划伤学生的脸部，还容易使发射架移位，导致水火箭偏离发射方向.为了避免上述不足，自制了水火箭发射架，确保了发射的安全和成功.

制作过程：

1）把不绣钢板加工成如图2中的支架的形状，做成可调节角度的支架.

图2 自制发射装置

2）用不锈钢螺丝把支架固定在较厚、较重的大理石板上，以增大水火箭发射时的稳度.

3）把水管快速接头装在不锈钢支架上，并连接好自行车刹车线和刹车把.

4）将自行车打气筒装上压力表，在发射时能清楚地观察到气压大小.

5）为了安全，需使自行车打气筒离发射架远一些，加长了连接的气管.

2.3 发射水火箭

发射步骤：先向量杯中倒入体积为V的水，并将这些水倒入可乐瓶中.检查喷嘴是否漏水，是否拧紧.把水火箭安装到发射架上，向水火箭内打气.水火箭发射成功后用皮尺测量射程，记录测量数据.

3 科学探究

在水火箭的制作与发射过程中，学生发现有许多问题值得探究，尤其是水火箭的射程问题，更受到学生的关注.由于水火箭发射的高度不便测量，笔者引导学生围绕水火箭水平射程问题，成立课题研究共同体，开展科学探究活动.

3.1 猜想假设

1）水火箭的射程可能与动力舱内的水的体积有关；

2）水火箭的射程可能与箭体的形状、动力舱的容积有关；

3）水火箭的射程可能与动力舱内充入气体的压强有关；

4）水火箭的射程可能与喷出水的质量有关；

5）水火箭的射程可能与发射的角度有关.

3.2 实验探究

根据上述的5个猜想假设，分组进行下列实验探究.

3.2.1 探究水火箭的射程与发射舱内水的体积的关系

1）用容积V瓶为1 250mL的可乐瓶做动力舱进行发射实验.

2）在发射舱内分别注入125，150，200，250，300，350，400mL的水，保持其他条件相同（气压为5×105Pa，分别进行发射.

3）分别测量水火箭的射程，测量结果如表1所示.表中V瓶为瓶的容积，V水为瓶内水的体积，s为水火箭的射程.

4）当水的体积为250mL，即水的体积占瓶的容积1／5时的射程最远，为60.5m.实验还发现，在瓶内装水量为450mL（占比为9／25）时，水火箭在飞行过程中，瓶内的水未喷完.这样就增加了水火箭在飞行时的自重，使水火箭受重力的影响而提前坠落.实验表明，只有当水火箭内的气压与水量适当时，才能飞得更远更高.

表1 发射舱内注入不同体积的水时，测量的水火箭射程

3.2.2 探究水火箭的射程与箭体的形状、发射舱容积的关系

1）将箭体的形状、发射舱的体积不同的4个水火箭分别安装在发射架上.

2）使发射舱内的气压和发射的角度保持相同，分别进行发射.

3）分别测量水火箭的射程，测量结果如表2所示，V舱为动力舱的容积.

表2 动力舱形状不同时，测量的水火箭的射程

4）由表2可知，在形状基本相同时，发射舱的容积越大，水火箭的射程就越远.在容积相同时，动力舱的形状越细长，水火箭的射程越远.

3.2.3 探究水火箭的射程与瓶内气压的关系

1）将容积为600mL、内装150mL水的水火箭安装在发射架上.

2）用同一个水火箭，分别打入不同气压的气体，并记下水火箭发射时的气压值.

3）分别测量水火箭的射程，测量结果如表3所示，表中p为瓶内气压.

4）由实验数据可知：瓶内的气压越大，经过喷嘴喷出的水的推力就越大，水火箭获得的速度也越大，水火箭的射程也就就大.即水火箭的射程随着气压的增大而增大.

表3 发射气压不同时，测量的水火箭的射程

3.2.4 探究水火箭射程与瓶内液体密度的关系

1）分别测出黄酒、清水、盐水、糖水、糖盐水的密度（它们中的主要成分都是水）.

2）在同一个水火箭（600mL）的可乐瓶内分别装上相同体积（150mL）的黄酒、水、盐水、糖水、糖盐水，然后将其分别安装在发射架上，在相同的条件下发射.

3）发射后分别测量水火箭的射程，测量结果如表4所示.表中ρ为液体密度.

表4 瓶内液体不同时，测量的水火箭的射程

4）分析表中数据可知，瓶内所装溶液的密度越大，水火箭的射程也越大.相比之下，使用密度较大的糖盐水，增加了反作用力，从而可以使火箭获得更大的推进力，也就增大了水火箭的射程.即水火箭的射程随瓶内所装溶液的密度的增大而增大.

3.2.5 探究水火箭的射程与发射角度的关系

1）将完全相同的水火箭，先后分别安装在发射架上.

2）调整它们发射的角度，分别为20°，30°，40°，45°，50°，60°，70°.

3）发射后分别测量水火箭的射程，测量结果如表5所示.表中θ为水火箭的发射角度.

表5 水火箭的发射角度不同时，测量的水火箭的射程

4）由表中记录的数据可知：发射角在50°左右时，水火箭的射程最大.当发射角太小时，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且飞行时间短，造成射程小.当发射角度太大时，其向上分力虽大，但向前分力太小，造成“射得高，但射不远”的情形.

4 结束语

综上所述，影响水火箭射程的主要因素有喷水质量、气体压强、发射角度、外型结构等.其中喷水质量和气体压强是影响水火箭水平射程的动力性因素.发射角度、外型结构则是影响水火箭水平射程的技术性因素，其中的发射角度是从提高动力的角度思考的，外型结构是从减小阻力的角度思考的.当然，影响水火箭射程的因素还有很多，如发射现场的风向和风力也会影响射程，风力较大时，逆风射程较近，顺风射程较远，等等.