探究“水火箭”发射的高度探究“水火箭”发射的高度探究“水火箭”发射的高度

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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。

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)

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探究“水火箭”发射的高度
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