水南中学高一（8）班物理研究性学习组课题研
究成果报告
随着时代的发展和社会的进步，学生的动手能力和实践操作能力越来越重要。
结合我国目前的国情，航天科技迅速发展“神五”、“神六”、“嫦娥一号”相继发射成功，为更好了解导弹，运载火箭的发射升空，回收的过程，体验导弹的飞行与飞机的飞行原理及不同点，了解航天科技，热爱航天科技，我们物理研究性学习小组在查找资料之
后动手制作水火箭。
根据查找的资料：“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、降落伞。
灌入一定数量的水，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（水的质量是空气的816
倍），压力空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，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。
”我们于2009年3月开始动手进行探究性学习。
在制作完实验器材后，我们进行了第一次试验，试验结果并不理想。
在组长曹隽羽的主持下，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。
”郑华同学说：“‘水火箭’发射高度与‘水火箭’自身的质量有关。
”金炯民：与瓶内的气压有关。
郦雪琪：与瓶中灌水的质量有关。
钟思远：与“水火箭”的外部形状有关。
罗斌：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m，发射速度为vi。
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m,喷射物向下喷射的速度为V2。
由动量守恒定律有：
nv i+m （-v 2）=0
••• v1=m2v2/m1
说明：vi与m、m、v2有关。
如果m、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：m越小，vi越大，vi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m越小，发射越高。
组长曹隽羽说：“我推出‘水火箭’发射速度公式v i=mv2/m i,应该是正确的。
我们来做
一个实验证明‘水火箭’质量m越小，发射速度v i越大，发射越高。
”金炯民：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m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。
郦雪琪：你的假设实验只控制了一个变量m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？戚佳斌：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。
”
然后通过实验证明：通过对比发射，“水火箭”发射的高度与“水火箭”自身的质量有关，即质量越小，发射的高度越高。
同理经过反复的理论推导和实验验证得出以下结论：
1. 水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系：
通过实验得出，当水量为1/4时，水火箭飞地最高.由实验结果看出：气压与射程成正比.这是因为气压越大，喷水的力量越大，水火箭的冲量越大，水火箭做反冲运动.而在发射水量为1000ml以上时，水火箭中的水未喷完，由于气压减小就停止了加速，增加水火箭的重量，使水火箭受重力影响而提前坠落了.质量越大，所需提供的动量就越大，当质量一定时，速度越大动量越大.而提高速度的方法是提高单位时间内的喷水量.所以，只有当水火箭内的气压与水量适当时，才能飞地更远更高.
2. 怎样提高水火箭的稳定性.
水火箭在上升过程中，并不是竖直向上升的，经常横着或侧着瓶身上升.这就要求我们必须提高它的稳定性，使它竖直上升.提高它的稳定性，就得考虑大气阻力的作用.首先，水火箭顶部应为尖的，以便于减小空气阻力；其次瓶体形状应接近流线型，这样便于气流的通过；要使它竖直上升，还要在放置的时候使它竖直，我们就取了一个三角架，把水火箭支住（不是紧套）使它能竖直地立着.
3. 发射轨道对射程的影响.
实验结果显示：有轨及无轨发射器在同一冲量所造成的射程都差不多，可见有无轨道都不影响射程.但在冲量越小时，无轨发射器发射的水火箭容易常常偏离预定方向；而有轨发射器因为有两个支点，使水柱喷射时不易产生其他方向的分力，因此水火箭能精确的直线前进.所以，有轨发射器在准确度上胜于无轨发射器.
4. 弹头重量对发射轨道的影响.
由实验可知：未加前置填充物的弹头，因受到尾翼质量的影响，重心明显偏后.这时候，因为物体旋转时的中心为重心，所以我们可以把重心G当成支点，则在只受重力
的情况下弹头即成一个以G为支点的平横杠杆.在飞行时，弹头A与弹尾B将受到相
同的风阻影响，但由于力臂不同（AG> AB）,所以A点所产生的力矩大于B点，故水火箭即会旋转影响航道.所以我们必须放前置填充物，将重心G向A移动，使力臂A
d BG（即水火箭的中点），这样A、B产生的力矩才会相同，达成平衡.但是如果前置填充物放得太多，重心偏前，造成力臂AG< BQ力矩A<力矩B,则又会变成旋转
的情形，而造成反效果.所以，由实验的结果得知，填充物约65g为最好，而此时重
心正好位于首尾中点.当然，这个质量是不确定的，因水火箭的不同而异.
5. 发射仰角的影响.
水火箭的斜发与斜抛有关，所以由理论可得发射仰角为45°时，飞行距离最长.但由
发射的结果得知：在发射仰角50°至U 55°之间（约为52° ）时，可以达到最大的射程.当发射仰角太小时，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且由于水火箭的重量受地球引力的牵引，使其容易落下，造成射程缩短.而当角度太大时，其向上分力虽大，但向前分力太小，以至于射程太短，行成“射得高，但射不远”的情形.所以在水火箭的发射角度方面，须考虑向上分力及向前分力适中、各种外界因素的影响以及发射仰角.
经过这半个多学期的探索、研究、实验我们初步地完成了水火箭研制工作，从中
我们在许多方面有了提高：
一、通过查找资料的方法，我们对火箭的发展历史，特别是我国火箭技术发
展的历史，有了很深刻的认识.知道火箭是现代航天所必需的运载工具，我国是火箭技
术的发源地，现在的运载技术已经达到了世界先进水平，成为当今世界的航天大国.
二、通过理论推导，更加透彻理解了牛顿第一、第二、第三定律（作用与反
作用、惯性、能量守恒定律）了解一些基本的空气动力学和飞行力学等
方面知识，提高了物理学习积极性•
三、通过多次实验操作，我们的动手能力和实践操作能力得到提高，培养了
创新能力和科学态度.
四、在探究中组员间密切配合，团结一致，发扬了合作精神•
五、在许许多多的挫折和困难面前，全组成员敢于挑战，献计献策，成功解决
了难题，体现了愈挫愈勇的风格•
总而言之，本次研究性学习成功完成了预定计划和学习目标，成果显著，成绩斐然•
组长：曹隽羽
组员：郑华、郦雪琪、金炯民、钟思远、罗斌、戚佳斌
报告执笔人：郑华
2009年5月23日星期六。