探究“水火箭”发射的高度
深圳市华茂实验学校 刘天海一、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
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