水火箭运动原理及制作分析.pdf
水火箭运动原理及制作分析水火箭运动原理及制作分析摘要：摘要：水火箭制作较简单，取材较方便。深受各阶段学生的喜爱，是青少年科技竞赛的常见项目。当代青少年应具备良好的科学素养，正如水火箭比赛成绩差异，这一项科学活动中蕴藏的知识应该着重来探讨，以达到更好的比赛结果，提升参与者科学素养的体现。文章有助于加深对水火箭运动的认识。关键词：关键词：水火箭 科学素养 反冲作用作为一名准全科教师。随着国家对全科教师的培养，要求培养小学全科教师严谨的思维习惯的科学态度以及勇于探索的科学精神要求，增强教学的实用性以及自身探索科学的欲望。其中科学素养的体现显得尤为重要，全科教师作为学生的启蒙者，应具有良好科学素养才能够教育出具有创新精神的学生。在教学的要求下，水火箭其中的科学就是值得深入研究的，探究实践学习就是取得良好结果最好办法。在水火箭比赛中，发现这活动不仅是游戏，也是“STEM 理念”灵活运用的介质，要想得出良好的成绩，离不开对其中蕴含知识的探索。水火箭的工作原理水火箭主要由整流罩、导流板、推进器等部分组成。发射时，首先在推进器里装入适量水并按要求放置，然后利用充气泵向推进器内部充气，当推进器内压强足够大时候，启动装置，水被高速喷出，同时火箭在反冲作用下开始飞行。该装置主要运用牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。该定律是牛顿在 1687 年自然哲学的数学原理一书中提出的。比赛中主要就通过朝装有水的瓶里充入气体增强瓶内的气压后在一瞬间释放，使气体膨胀挤压出瓶中水达到反冲推进装置飞上天空。水火箭整个飞行过程可分为两个阶段，即初期的喷水阶段和后期惯性飞行阶段。在初期喷水阶段，推进器内的空气压强大于外界大气压使推进器内的水不断地喷出，火箭因此受到反冲作用而获得驱动力，并在短时间内获得较大的运动速度。在后期惯性飞行阶段，火箭停止喷水，在只受重力和空气阻力的作用下继续飞行一段距离，最后到达临界点。水火箭降落伞开伞原理是采用阻力落差分离：重物体和轻物体同时下落，由于空气阻力的不同，导致速度不同，由此实现降落伞自动打开。水火箭箭体的制作1、制作导流板侧翼。选用较硬的 PVC 塑料板，用铅笔在 PVC 塑料板上画出4 个规格一样合适大的梯形，利用美工刀沿着铅笔线条把导流板切下，在侧翼下边缘每隔 1.5cm 垂直剪一条 1cm 的缝隙，得到的形状交替往左右折下，再贴上泡沫双面胶。2、固定侧翼。先在瓶身上均匀位置处粘好全部的尾翼，粘贴时一定要保持 4片侧翼上下位置一致，以及空间上的对称。同时要注意侧翼的方向，要确保流线型。然后再用胶布围绕侧翼连接处的边缘粘两圈，用力压紧即可，保证该侧翼不掉落。3、制作瓶体连接。用钳子将一颗铁钉的尖端用酒精灯加热，等到尖端温度足够高时，将铁钉插入瓶底正中心扎入，扎穿后取出。再用扩孔器扩大到空心螺栓大小，用修边刀修理融化后的塑料粒。将空心螺栓插入两瓶底的洞口连接，检查气密性。将内螺纹直通拧紧在瓶口，达成二级和三级的气密性连接。4、制作整流罩。取同样规格的塑料瓶，利用记号笔标记好瓶身中部均匀的部分，要保证同样的高度，接着用美工刀切下标记的部分装在瓶口与瓶口的连接处，粘好边缘处再压紧，让推进器呈现出流线型。5、注水。将水注入推进器三分之一处，不宜过多或过少。6、充气。将推进器的进气口连接到气泵上，打开气泵开关，给水火箭充气，达到 58 个大气压即可。降落伞的制作。水火箭发射时会产生极大的速度，所以需要考虑水火箭安全降落的问题，即制作降落伞。选用绸，剪成长和宽都为 80cm 的正方形，对折后再剪成弧形，然后再打开。在得到的八个角的位置用线都取等长 60cm 缝好，之后系一起，降落伞完成。还需要制作伞仓和防止降落伞过紧的隔离网，将降落伞的一边与简体相连接，另一边连接伞仓。影响水火箭飞行的因素实验数据测量应该注意以下的问题：发射时大气压。在读数的时候应该在气压针稳定后在读数的基础上加 1。因为气压针测量的只是气压差，打气压之前瓶内就已经有一个大气压，所以记录数据是应加 1。通过多次实验，可以得出在相同材料的情况下，有以下几点需要着重计算和讨论的。水火箭瓶身规格尺寸及级数。目前常见的水火箭可以制作出五级、四级、三级、二级、一级。多级水火箭指的就是将几个相同规格的火箭组合在一起，从而获得可以打入更大气压的水火箭。如果是从来没有接触过此比赛的人或许会认为，水火箭级数越高能飞得就越高。但实际不然，实验后数据分析出：在三级以上，越高级的水火箭越容易偏移，原因是推进器的加高导致重心的变高，水火箭无法保持朝同一方向飞行不偏移。其次是尺寸。是否是制作水火箭的瓶越大，就能飞更高。目前常用来制作水火箭的饮料瓶主要有 600ml、1.5l、2l。尺寸越大的水火箭可以装更多的水也可打入更多的气压。经过多次实验的发现，只有尺寸和级数良好的制约，良好的设计才能达到更好的结果，单一的尺寸并不能完全影响到实验的结果。瓶身连接处气密性以及洞口内壁的光滑度。在用烧红的铁钉给塑料瓶底部开孔时,底部的塑料会因为高温迅速融化成不规律的形状，开的孔周围就会非常粗糙。在这种情况下安装的连接处气密性就会受影响。由于整个过程都是人工操作，所以能否在过程中精准的扎到瓶口正中心就显得尤为重要。只有当开孔是在正中的时候，气体释放时才会左右保持着均匀，就不会在发射水火箭的时候令水火箭偏移原来的轨迹。开口处内壁的光滑也是为了让气体膨胀的时候能均匀，不让气体在瓶身里左右作用不一致，使气体的压力尽可能全部运用于向下的冲击。开口处不能过大，否则就算有胶片在连接处做密封也不能完全的控制气密性。水火箭气密性是最重要的一个因素，如果不能让水火箭完全的气密，充气就不能顺利的进行。瓶内没有足够的气压，水火箭是无法成功推进的，并且飞行的过程中轨迹也会产生巨大偏移。水火箭箭体流线型。要做到这一点首先是选择合适材料来制作，在挑选材料时应选择前后直径差不多的塑料瓶。两边粗中间细的这类就不能作为合适的原材料，在组装多级水火箭的过程中工序就会更加的复杂。其次就是侧翼的设计，建议使用硬塑料片有足够的强度和一定的弯折性，加工起来也比较容易。选用光盘的话，加工和打磨麻烦，容易开裂。如果尾翼不协调，很可能出问题。头部不建议用石头加重，石头不规则，重心不容易控制更容易翻滚。可以将导流板制作成自己喜欢的形状。为了在火箭飞行时具有较好的稳定性，侧翼必须要有较高的硬度从而不容易变形。通过多次实验的发现，直角梯形侧翼是目前发挥得最好的导流板。提高降落伞开伞成功率。通过多次实验后得出，降落伞要通过 Z 字型折叠放入伞仓内，才可以更顺利开伞。降落伞越大越不容易开伞，降落伞材料越轻就越好，不能过重影响箭体的重量。发射时发射角度要大于 75更容易成功的开伞。由实验结果可知水火箭飞行与火箭还有些不同，火箭的燃料是越多就越好就可以飞行得越远，但考虑燃料的重量等因素，火箭只带够一定的燃料即可。而水火箭不一样就在于，在瓶内高压的作用下，水从瓶口高速喷出，瓶内气体体积迅速增大，压强就减小，之后水对瓶体的反冲作用减小了。在瓶体体积不变的情况下，过多的注水量在压强差逐渐为零的时候，未喷出的水就会变成飞行的负担。但如果减少注水量过多，虽然可避免有余水。但质量比 M/m 偏小，对箭体飞行不利。所以无论是过多的注水量或者是过少的注水量都会影响水火箭的发射距离，只有结合箭体自身的 m 通过精密的计算，才能得出适合该装置的最佳注水量。参考文献1 朱文辉农村小学全科教师培养的课程设置研究2 王超,金盈楠,谢妙,陈英才水火箭运动的理论研究3 汪海二级加压水火箭的制作方法4 杨慧迪,牛亮从实验与理论的双重角度浅析影响水火箭飞行距离的因素5 廖立杨,杨晓冬对水火箭发射速度和射程的理论研究
