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水火箭过程的大致情况(十分详细)
[ 2017-5-1 16:06:00 | By: yz20161039 ]
 

       水火箭飞行性能的研究 K-13物理研究性学习小组
       水火箭比赛是中小学校科技活动的常见活动,通过对选手们自制的水火箭的射程、发射高度的比拼,不但锻炼了同学们的动手能力,也极大的点燃了同学们对科学的热情,因而成为一项长盛不衰的活动,深受中小学生的欢迎。因此,本课题将采用实验的方式,探究影响水火箭飞行性能的因素,从而最大程度的让我们的水火箭飞得更高、飞得更远,提高比赛成绩。 真正的火箭利用液体或固体燃料与氧化剂混合时剧烈燃烧,产生大量高温高压燃气从火箭尾部喷出,从而推动火箭迅速前进。而我们的水火箭虽然没有火也不用燃料,但其原理则是相似的,均依靠牛顿第三定律和动量守恒定律工作,不同的是水火箭的工作物质是水和高压空气,发射时,高压空气推动水高速喷出,产生推力。

       那么,影响水火箭飞行性能的因素究竟有哪些呢?通过对水火箭结构的分析。我们认为:水火箭飞行性能的限制因素主要是瓶内气压、盛水量及发射仰角。但瓶内气压的上限值主要决定于瓶子材料、结构,对于现有条件来说较难改变。因此我们研究的主要是瓶内水量、火箭发射仰角与火箭射程的关系。通过多次试验,我们获得了第一手实验数据,通过对数据的分析论证,我们得出了结论。

课题由来:在电视上看到神舟六号载人航天飞船的成功发射时,我们感到无比的激动和自豪,作为炎黄子孙的我们为之自豪的同时,也激发了我们努力学习,探索知识的精神。而且我们也认识到瞬息万变的未来给我们提出了严峻的挑战,为了提高我们动手操作,解决实际问题的能力,进一步培养我们主动思考,积极探索,科学创新的精神。所以我们开展制作水火箭的活动,了解火箭的飞行原理,同时圆个小小的飞行梦。在这之前,发明协会组织我们年级进行了水火箭比赛。比赛时,各路英雄齐聚于此,他们手中的水火箭各色各样、五花八门,发射时射程有长有短,各人成绩很不一样,最终我们班的罗贝特同学和邓毅同学分别夺得第一和第二名。在欢庆胜利的同时,我们冷静地思考:造成水火箭性能差异的原因究竟是什么?可以通过对水火箭的改进来获得更好的成绩吗?于是,本小组开始了这方面的研究。

 实验报告:

一、组装水火箭

        1首先买来两个1.5升的雪碧瓶,去掉表面包装后,将其中一个雪碧瓶横向等距切成瓶口、瓶身及瓶尾三部分,每部分占1/3,备用

        2 将第一个的瓶口罩在第二个塑料瓶的瓶底;再将第一个的中段瓶身安装在第二个塑料瓶的瓶口。盖上去之后,从各个方向确定整个火箭的箭身完全是直的,确定之后,用宽胶带将两个接口粘紧。  

        3 现在将纸板拿来,剪出弹翼,弹翼的数目可以是3或4片,可以根据个人喜好设计外型。太大的弹翼很容易被风吹掉;太小的弹翼发挥不了稳定的作用。 所以应从实验中探索。

        4弹翼完成后,就将其平均分配在后段的箭身上,若分配不均,火箭会向一边偏航。弹翼装上之后要确定是否牢固。根据过去经验,不牢固的弹翼,在发射瞬间就会脱落。一般加强固定法是在翼根两边用胶带再贴一次。

        5水火箭基本完成后,还必须修饰它的外形,使它在飞行时受到的阻力不至太大。我们选用了厚的不易沾水的牛皮纸来制作火箭整流罩。将一大张扇形牛皮纸卷成圆锥体,粘好成型后再将其固定在水火箭头部。另外,为使水火箭在飞行过程中不致因为重量太轻而失去稳定性,还必须为它加上配重。在安装整流罩之前,我们打开水火箭头部原有的旋塞,往里面加入了适量压紧的粘土作为配重。

        6最重要的是水火箭尾部喷口的处理,因为这是它的动力系统,我们找到了一个直径略大于喷口口径的橡胶塞,在其中间挖了个小洞,再装上一个自行车用的气门芯,这样就制成了水火箭的尾喷管,橡胶的良好接触性、极大的摩擦系数,以及略大于喷管的直径,保证了这个塞子拥有极佳的气密性,可以使瓶中的气压增大到相当的程度,使得动力充足。

二、 实验过程 本小组成员来到二中求索园前,携带有:

1、水火箭;2、打气筒;3、数码相机;4、自制发射台。

        我们完成了两组实验:第一组是探究水火箭装水量的不同对射程的影响。第二组是探究水火箭发射仰角的不同对水火箭的影响。

        第一组:

                1、用砖块搭建了一个发射台,使得水火箭无论装水多少,都能稳定的靠在发射台上。

                2、往水火箭中装入一定量的水,擦干瓶口水渍,用力将胶塞牢牢挤入瓶口,略加旋转,使胶塞与瓶口紧密接触。

                3、将水火箭斜靠于发射台上,取发射角45度,方向与大道平行。

                4、将打气筒胶管接在喷口气门芯上,一名小组成员开始对水火箭打气,其余成员离水火箭5米以上,负责纪录的同学准备记录数据,负责拍照的同学拿出相机,负责观摩的同学紧盯火箭与蓝天,准备提出改进意见。

                5、打气充足后,胶塞在巨大气压下自动与箭体分离,于是水流急速从窄小的尾喷口喷出,形成笔直的水柱,同时推动水火箭飞向蓝天,发射时周围形成明显的水雾。负责拍照与设想的同学记录下发射的全过程。负责记录的同学则在水火箭落地后丈量落地点到发射台的距离,并记录下来。 

                6、重复以上步骤,只不过在第二步中装水时装入不同的水量。记录时分别记录。 以下是由实验数据绘成的图表: 

        第二组: 第一、二、四、五步同第一组,不同的是第三步时,不固定发射角度。重复实验时以发射角为唯一变量,每次试验均改变发射角,并仔细记录。

三、结论:

        水火箭的发射距离由许多因素决定,根据本组的实验,得出了下列结论:

                ①水火箭的发射角度应在35°~45°之间;

                ②水火箭所装的水应占瓶容积的三分之一左右;

                ③水火箭的末尾应装有4个尾翼以保持平衡;

        就本组实验时所用水火箭来说,水火箭(1.5升容积)发射时以装水400毫升、发射仰角为37度时射程最远。

讨论、探索、总结、分析:

        水火箭的发射角度对发射距离有很大影响,角度太大,无法获得较大的水平速度;角度太小,无法获得较长的飞行时间。 装水量与水火箭的发射高度也有较大的影响,水太多,水火箭所受的重力过大;水太少,水火箭获得的反冲力太小;它们处理不好都不能使其发射到较理想的飞行距离。

        经验:

                1、水火箭在发射前应是使瓶内保持足够的气压;

                2、在加水后应擦干瓶口的水迹,同时也要使塞子干燥,这样才能增大塞子与瓶口的摩擦力;

                3、发射时方向应与风向一致。

        总结:无论是火箭还是水火箭,其工作的理论依据都是牛顿第三定律及动量守恒定律。即:作用力与反作用力大小相等,方向相反。不受外力的一个系统中各个物体的动量之和守恒。 水火箭发射之前,其动量为零,发射时,高压推动水向后喷出,使水流具有了巨大的速度,为保持动量守恒,此系统中的另一个物体——水火箭体将沿反方向运动,并且由于水与箭体在发射时可视为不再相互作用,因此强大的气压也将作用于容器的壁上并对箭体做功。水流喷射完以后,箭体将靠惯性继续在大气中运动,直至落于地面。所以发射时必须保证瓶中有足够的气压,有一定的水量,水量太少将导致动力不足,太多则增加了火箭重量,还使得容气量减少,不利于射程的提高。

 
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