水火箭原理分析 ——学科知识综合应用的体验

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水火箭原理分析

——学科知识综合应用的体验

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水火箭原理分析

学校每年的科技节中，水火箭是一个传统项目，是一项典型的综合实践活动。做为高二的学生，在这次活动中，负责本班的水火箭制作和发射，让我们经历了一次难得的学科知识综合应用的过程。特此以原理分析的几点说明之

飞行原理之物理分析

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭。顾名思义是利用箭内水向后喷出，获得反作用力射出．而水向后喷出的能量则是由瓶内压缩空气的势能转化而来，由此观之，水火箭的飞行距离与瓶内气体的体积与压强有关。一般地，对于同一个水火箭内部气体能达到的最大压强，跟瓶口与塞子的摩擦力有关，都差不多。所以，在这里我们首先着重讨论瓶中气体与水的比重。

如果瓶内气体过多，气体所具有的最大势能就可以比较大，但相应的水的体积就会减少。

设水的质量为M，喷出时向下的速度为V，则水向下的动量为MV，根据第三定律或动量守恒定率，水火箭获得的动量也应为MV，因为水所占的体积很小，因此质量很小，所以MV也就很小，制作的水火箭就飞不远。

如果瓶内气体过少，则相应水所占体积就会增大。
瓶内气体所占体积小，所能提供的能量本身就少，无法立刻将瓶内的水全部排出，这样水火箭将带着大量的水升空，由于瓶连同所带的水的质量太大，制作的水火箭也无法飞得很远。
再有的是我们在水火箭飞行的过程中发现的问题：由于水火箭的本身是用塑料瓶做的，质量较轻，所以不可忽略空气阻力对它的影响。在外型固定的情况下，质量较小的水火箭受空气阻力的影响就较大。

假设水火箭由水的反冲获得的初动量恒定为p，水火箭质量为m，则初速度v=p/m。而v越大，水火箭相对就能飞得越远，看上面的速度公式可知，在理想状态下，质量m越小，水火箭的初速度就大，它就能飞得更远。但在实际条件下，如果水火箭质量越小，空气阻力对它的影响就越大，甚至一阵微风就可以让它改变飞行方向，或是从空中掉下来。但如果我们加大水火箭的质量的话，很明显它的初速度变小了，也飞不远。

以上从物理角度分析，水火箭在飞行中存在二对矛盾：一是水火箭内空气与水的比重，二是水火箭本身重量与空气阻力对它的影响。了解这二点，我们在制作出水火箭之后就不断得在注水量和自重二方面对它进行测试，找到了最佳的发射量。

数理方法确定发射角度

在水火箭测试过程中，水火箭射程的远近是测试的主要项目。怎样才以使水火箭射得更远呢？除去水火箭在飞行过程中所受的摩擦力，我们可以发现水火箭的运行轨迹是一个抛物线，那它的水平射程与什么有关呢？
如图所示，水火箭的动轨迹为曲线，在物理中曲线运动的射程：S=Vx* t  (①式)，我们假设初速度V不变的情况下，什么时候水平射程S最大。首先把图中的V分解为Vx （即水平方向的分速度）和Vy （即竖直方向的分速度），V与水平方向的夹角为θ，由以上可知：
又根据物理学中落体运动规律可知水火箭在空中的飞行时间为：
代入①式得：

由数学三函数关系：

可把上式化简为：

正弦函数最大值为1，由此我们可以知道了水火箭的最大射程，即：

当时



此时   得到：

也就是在理想状态下发射角度为时，水火箭射程最远，虽然，实际情况中，水火箭要受到空气阻力的影响，但是我们只要略做试验就得找到最恰当的发射角度，同时为水火射做一个合适的发射架。

设计中的化学尝试

传统的水火箭一般都是通过打气的方法，来增大火箭内部气体的压强。除上述方法之外，要增大压强，据我们所知也可以增大温度；或是进行化学反应，内部产生气体等。为此我们就进行了一次化学尝试。

我们产生气体的方法是利用NaHCO3和稀H2SO4反应产生CO2，从而使火箭内部压强增大。在如图1处加入稀H2SO4，在如图2处加入水。实验开始后，将NaHCO3放入1中，迅速盖上火箭的盖子，让其在火箭的内部进行反应，产生气体，使压强增大，弹出活塞后使火箭上升。
然而这种方法也存在很多问题和不足之处。首先是化学药剂量放多少的问题，如果太少，则产生气体不够多，内外压强差不够大，不能使火箭起飞；如果太多，则会加大本身质量，火箭不能飞得足够。同时，活塞弹出，内部液体喷射出来时还可能带有H2SO4，这是非常危险的，可能会伤到人（H2SO4具有腐蚀性）。其次是在火箭内部发生反应后，CO2的含量增多，压强增大的环境变化时，NaHCO3和H2SO4的反应有可能有其它形式（比如说发生逆反应），这会使得反应不能持续进行，影响到CO2的产生，从而影响到火箭起飞和飞行的整体情况。最后就是怎样加入NaHCO3的问题了，开头说的“将NaHCO3放入1中，迅速盖上火箭的盖子”这种方法，并不是十分容易做到。如果依照这种方法，有可能还没有完全盖上盖子，反应就已经快速进行了 ，这样会使气体外泻；还有这种做法对水火箭的密封性能要求比较高，特别是随着反应进行，内部气压增大，一量漏气的话，就达不到原定的内外气压差，火箭得不到足够的动力，就飞不起来了。

所以依靠内部药品化学反应产生气体，增大压强，从理论上来说是可行的，但实际操作起来是非常困难的。这次化学尝试并不是很成功，但却让我们把所学的化学知识，在实践活动中实实在在的用了一把，给了我们一次难忘的体验。也许在不久的将来我们会找到更好的方法来解决这一问题，使得水火箭飞得更高更远，让我们拭目以待。

综上所述，在这次水火箭活动中，我们用物理方法建产模型，数学公式解决问题，化学方法尝试设想，使我们了解了“学以致用”，而不是一味的死记硬背；让我们体验了知识应用于实践的乐趣；同时，在更深层次的分析和解决问题时，让我们看到了知识的不足。所以，之后我们会更有兴趣，更有信心投入到学习中去，刻苦钻研，理论应用实践。最后，希望学校能多搞些类似的活动……

注

此文曾修改整理成课件作为课外兴趣活动(科技知识讲座)在民办学校开展并作为科技节一个重要内容受到师生的欢迎

2008.04.15

安徽

水火箭的制作与发射——科技知识系列讲座（二）

水火箭的制作PPt*

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