探究“水火箭”发射的高度

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。共2页，当前第1页12