物理学原理应用之水火箭
设施102 武长飞1040440231
水火箭概述
水火箭是一个利用质量比和气压作用而设计的玩具，
同时是物理教学中著名的案例之一，其中蕴含的物
理原理是了解物理中力学的重要的基础。

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭，是利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼。

灌入三分之一的水（水是水火箭的燃料），利用打气筒充入空气到达一定的压力后发射。

是利用水和空气的质量之比（水的密度是空气的771倍），压力空气把水从火箭尾部的喷嘴向后高速喷出，在反作用下，水火箭以急快的速度快速上升，靠惯性在空中滑翔飞行，像导弹一样有一个飞行轨迹，最后达到一定高度,在空中打开降落伞徐徐降落的火箭模型。

水火箭起源于日本夷山的划艇俱乐部成员，他们乐于进行野外活动。

于某日，他们看见用宝特瓶向翻覆的加拿大游挺发射救生索的场面，逐而诞生了用水喷射宝特瓶的构想。

原理
加水：水火箭加入水量的多少直接决定水火箭的射程。

动量P=mv，在释放空气时，火箭中的水在气体放尽时也刚好放完是最佳情况。

这时，火箭获得的的动量最大（速度也最大）。

发射：水火箭发射时利用牛顿第三定律，力的作用是相互的。

火箭中
的气体释放压力，作用在水上，水在瞬间喷出，火箭获得一个极大的反冲力，瞬间“飞出”。

利用压强P=F\S，喷水口的面积S一定，要想使箭获得更大的反冲力（速度），就要使火箭中的压力足够大，即要充入更多的空气，这就利用了PV=nRT，n越大，p 越大。

飞行：火箭飞出后利用自身的惯性飞行（牛顿第一定律）；火箭飞出时的速度是斜向上的，在重力的作用下，火箭的飞行轨迹是抛物线（斜抛运动），这就是“弹道飞行”。

（运动学原理）同时，由于摩擦，火箭还受到空气阻力的作用，使得火箭的速度不断减小。

上升到一定高度后，火箭的竖直方向速度减小至0，火箭开始降落，依然呈“抛物线”型。

总之，水火箭利用的物理学原理有：动量P=mv及动量守恒定律，PV=nRT，牛顿运动定律（第一第二第三），运动学公式等，是经典力学非常典型的应用。

火箭的优化
●火箭中水和空气的比例要适当；
●发射时火箭要与地面有一定的夹角，最好是45度(原理见后面)；
●由于惯性与质量有关，在保证其他条件的前提下，尽量增加火箭的质量,这样还可以减小飞行中的阻力；
●火箭头要做成尖的，同时火箭身要做成流线型，这样不但能减小空气阻力，还能提高火箭的稳定性；
●除了上述条件外，火箭还要有发射架和尾翼,这样可以控制飞行轨迹,提高稳定性;
45度角的原理: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=V x * 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V x （即水平方向的分速度）和V y （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：
θcos *=V V x θs i n *=V V y
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： g V g t V y θ
sin 22*== , 代入①式得：
g g V V S V θ
θθθcos sin 2sin 2
cos 2*=***=
由数学三函数关系：θθθ2sin cos sin 2=* 可把上式化简为：g S V θ
2sin 2*=
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12sin =θ时
g V S 2max = , 此时902 =θ 得到：45 =
θ 也就是在理想状态下，射角度为45 时，水火箭的射程最远。

水火箭制作
1. 材料准备：3~6个
2.25L 的可乐瓶、剪刀、单面刀片、木塞、球类气针、圆珠笔芯、订书机、双面胶、彩色装饰纸．
2.制作过程（如上图所示）：拿出一个可乐瓶，大约以1／3的间距
切成三等份。

剪下瓶口及中段部分，将第二个可乐瓶倒过来，第一个的瓶口盖在第二个可乐瓶的瓶底，再将第一个的中段瓶身盖在第二个可乐瓶的瓶口．盖上后，用双面胶粘紧．再找出一个硬纸板，剪出平衡翼，平衡翼的数量为4个．太大的平衡翼很重，太小的起不了平衡作用．
3.制作重点：在制作过程中，喷口是最为重要的，密封一定要好，
否则不能提供良好的压力．气针在木塞中，也要达到密不透水，最好用烧红的针尖穿洞。

如果还有漏水情况，可以在气针上加装一个圆珠笔芯，圆珠笔芯的顶端伸出水面，可防止打气时气泡的翻滚和漏水情况。