水火箭


水火箭 水火箭是一個利用質量比和氣壓作用而設計的玩具,同時是物理教學中著名的案例之一,可以培養學生對于物理學習的興趣,而其中蘊含的物理原理是了解物理中力學的重要的基礎。

概述

  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動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘。灌入三分之一的水,利用打氣筒充入空氣到達一定的壓力后發射。是利用水和空氣的質量之比(水的密度是空氣的771倍),壓力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,像飛彈一樣有一個飛行軌跡,最后達到一定高度,在空中開啟降落傘徐徐降落的火箭模型。   水火箭是寓教于樂、科技含量高,深受廣大青少年喜愛的動手、動腦的科普教材。可以讓學生直觀了解飛彈,運載火箭的發射升空,回收的過程,飛彈的飛行與飛機的飛行原理及不同點。解釋牛頓第一、第二、第三定律(作用與反作用、慣性、能量守恒定律)了解一些基本的空氣動力學和飛行力學等方面知識。使廣大青少年了解航天科技,熱愛航天科技,為國家航天事業培養、造就、輸送優秀人才。(全國已多次舉辦比賽~~)

發射原理

  用橡皮塞緊的可樂瓶,形成一個密閉的空間.把氣體打入密閉的容器內,使得容器內空氣的氣壓增大,當超過橡皮塞與瓶口接合的最大程度時,瓶口與橡皮塞自由脫離,箭內水向后噴出,獲得反作用力射出.水火箭和火箭最大的不同,在於其推進的媒介由高溫空氣變成水而已。在發射水火箭前會灌入空氣達一定壓力,由於高壓會自然向低壓流去,故在噴嘴被開啟時,空氣自然向噴嘴流去,但由于水擋在前方,故水會被空氣推出火箭,而火箭也藉此獲得向前的速度。

水火箭的制作

1.材料準備:

  3~6個2.25L的可樂瓶、剪刀、單面刀片、木塞、球類氣針、原子筆芯、訂書機、雙面膠、彩色裝飾紙.桌布等輕便不透風的材質

2.制作過程:

  增壓塞制作:用小刀切下橡皮塞較粗的一端,切口直徑為2.3cm,穿過小孔裝上氣門芯、膠管、和螺帽,將橡皮塞用力塞進瓶口內,其露在瓶口外的部分不超過約2mm;用剪刀在飲料瓶蓋中間挖一個直徑約12mm的孔,以便使旋緊瓶蓋時僅讓氣門芯露在外面。   側翼的制作:用硬紙片按圖2所示尺寸剪下側翼四個,為了使火箭飛行時有較好的穩 定性,側翼必須有較高的硬度,如果紙片片硬度不夠,可將兩片或三片粘疊在一起制作,剪好側翼后,將“貼上爪”交替地折回兩側,用透明膠帶對稱地貼上在火箭的下部側面。   如圖1,取出其中一個可樂瓶,大約以1/3的間距切成三等份.如圖2,留下瓶口及中段部分,將第二個可樂瓶倒過來.如圖3,將第一個的瓶口蓋在第二個可樂瓶的瓶底,再將第一個的中段瓶身蓋在第二個可樂瓶的瓶口.蓋上后,用雙面膠粘緊.再找出一個硬紙板,剪出平衡翼,平衡翼的數量為4個.   水火箭的制作太大的平衡翼很重,太小的起不了平衡作用.4.制作降落傘,將一張正方型的桌布對邊折,再對邊折,以中點為心,對折2次,用剪子剪下多余部分,使它成圓形,貼好線   增壓塞制作:用小刀切下橡皮塞較粗的一端,切口直徑為2.3cm,穿過小孔裝上氣門芯、膠管、和螺帽,將橡皮塞用力塞進瓶口內,其露在瓶口外的部分不超過約2mm;用剪刀在飲料瓶蓋中間挖一個直徑約12mm的孔,以便使旋緊瓶蓋時僅讓氣門芯露在外面。   側翼的制作:用硬紙片按圖2所示尺寸剪下側翼四個,為了使火箭飛行時有較好的穩 定性,側翼必須有較高的硬度,如果紙片片硬度不夠,可將兩片或三片粘疊在一起制作,剪好側翼后,將“貼上爪”交替地折回兩側,用透明膠帶對稱地貼上在火箭的下部側面。   。

3.制作重點:

  在制作過程中,噴口是最為重要的,密封一定要好,否則不能提供良好的壓力.氣針在木塞中,也要達到密不透水,最好用燒紅的針尖穿洞。如果還有漏水情況,可以在氣針上加裝一個原子筆芯,原子筆芯的頂端伸出水面,可防止打氣時氣泡的翻滾和漏水情況。降落傘的線一定要粘牢,不然壓力過大,可能會使線從傘身上掉落。

研究方法

1.水火箭的豎直升高高度與瓶內水位的關系

  水火箭的豎直升高高度與瓶內水位的關系可以通過做實驗的方法獲得:通過實驗得出,當水量為1/3時,水火箭飛地最高.由實驗結果看出:氣壓與射程成正比.這是因為氣壓越大,噴水的力量越大,水火箭的沖量越大,水火箭做反沖運動.而在發射水量為1000ml以上時,水火箭中的水未噴完,由于氣壓減小就停止了加速,增加水火箭的重量,使水火箭受重力影響而提前墜落了.質量越大,所需提供的動量就越大,當質量一定時,速度越大動量越大.而提高速度的方法是提高單位時間內的噴水量.所以,只有當水火箭內的氣壓與水量適當時,才能飛地更遠更高.實驗中發現,若水量大于固定氣壓所能噴射的上限,則水火箭中的水不會噴完,要如何避免水噴不完的情形呢?根據PV=nRT,可求出一定氣壓所能噴出的水量上限.若是水量不夠一定氣壓所能噴出的水量被較早噴完.根據理論,發射時我們先量出能灌進水火箭的最大值,再算出此氣壓能噴出的最大水量,根據此兩資料裝水灌氣,即可達到水火箭之最大射程(Pmax=Fmax×Mmax).

2.怎樣提高水火箭的穩定性

  水火箭在上升過程中,并不是豎直向上升的,經常橫著或側著瓶身上升.這就要求我們必須提高它的穩定性,使它豎直上升.提高它的穩定性,就得考慮大氣阻力的作用.首先,水火箭頂部應為尖的,'水火箭'比賽以便于減小空氣阻力;其次瓶體形狀應接近流線型,這樣便于氣流的通過;要使它豎直上升,還要在放置的時候使它豎直,我們就取了一個三角架,把水火箭支住(不是緊套)使它能豎直地立著.

3.發射軌道對射程的影響

  固定水量600ml,發射仰角50°.利用無軌發射架和70cm發射架分別發射水火箭并記錄結果及發射情況.比較發射軌道對飛行距離的影響.實驗結果顯示:有軌及無軌發射器在同一沖量所造成的射程都差不多,可見有無軌道都不影響射程.但在沖量越小時,無軌發射器發射的水火箭容易常常偏離預定方向;而有軌發射器因為有兩個支點,使水柱噴射時不易產生其他方向的分力,因此水火箭能精確的直線前進.所以,有軌發射器在準確度上勝于無軌發射器.

4.彈頭重量對發射軌道的影響

  固定水量600ml,發射仰角50°,使用有軌發射器.彈頭依序放置填充物,質量為30g,40g,50g,60g.比較彈頭重量對水火箭發射軌道的影響.   由實驗可知:未加前置填充物的彈頭,因受到尾翼質量的影響,重心明顯偏后.這時候,因為物體旋轉時的中心為重心,所以我們可以把重心G當成支點,則在只受重力的情況下彈頭即成一個以G為支點的平橫杠桿.在飛行時,彈頭A與彈尾B將受到相同的風阻影響,但由于力臂不同(AG>AB),所以A點所產生的力矩大于B點,故水火箭即會旋轉影響航道.所以我們必須放前置填充物,將重心G向A移動,使力臂AG=BG(即水火箭的中點),這樣A、B產生的力矩才會相同,達成平衡.但是如果前置填充物放得太多,重心偏前,造成力臂AG<BG,力矩A<力矩B,則又會變成旋轉的情形,而造成反效果.所以,由實驗的結果得知,填充物約65g為最好,而此時重心正好位于首尾中點.當然,這個質量是不確定的,因水火箭的不同而異.

5.發射仰角的影響

  固定水量500ml水,前置填充物,使用有軌發射器.分別使用發射仰角35°、45°、55°、65°、75°.比較發射仰角對水火箭發射距離的影響.   水火箭的斜發與斜拋有關,所以由理論可得發射仰角為45°時,飛行距離最長.但由發射的結果得神奇的水火箭實驗知:在發射仰角45°到55°之間(約為52°)時,可以達到最大的射程.當發射仰角太小時,水火箭向上的分力不大,使爬升高度不大,且由于水火箭的重量受地球引力的牽引,使其容易落下,造成射程縮短.而當角度太大時,其向上分力雖大,但向前分力太小,以至于射程太短,行成“射得高,但射不遠”的情形.所以在水火箭的發射角度方面,須考慮向上分力及向前分力適中、各種外界因素的影響以及發射仰角.

延伸制作

  1.于大型水火箭的制作.熟悉了水火箭的基本制作后,可以嘗試制作大型水火箭.由質量較輕的金屬做成,提供氣壓由氣泵完成.   2.多級火箭的制作.   把幾個水火箭綁在一起,由一個進氣孔提供氣壓.同時噴出水柱,提高水火箭的飛行能力.   經過這半個多學期的探索、研究、實驗我們初步地完成了水火箭研制工作,從中我們在許多方面有了提高.通過查找資料的方法,我們對火箭的發展歷史,特別是我國火箭技術發展的歷史,有了很深刻的認識.知道火箭是現代航天所必需的運載工具,我國是火箭技術的發源地,現在的運載技術已經達到了世界先進水準,成為當今世界的航天大國.我國對航天航空事業很關心,然而由于資金短缺以及技術的缺陷航天事業發展地很緩慢,但隨著綜合國力的強大,在與外國的合作下已發射了多枚“長征系列”的火箭,去年,我國又成功發射了“神州七號”宇宙飛船,為將來開發宇宙打下堅固的基礎.   2、將其中一個寶特瓶分割成三部分;將瓶口及中段留下   3、將留下的瓶口及中段,分別套上另一寶特瓶的底部及瓶口,記的涂上黏著劑并用絕緣膠帶固定   ps:請保持火箭的箭身是一直線   4、利用厚透明膠片或珍珠版制作尾翼四片,并將其平均分配固定在火箭的後半部神奇的水火箭實驗ps:涂上黏著劑并用膠帶確實固定。未平均分配或未固定會影響火箭行進的方向   5、套上火箭頭及噴嘴,準備展翅高飛了   6、在發射架上準備發射   捆綁式水火箭