探究“水火箭”發(fā)射的高度
深圳市華茂實驗學!⑻旌一、發(fā)現(xiàn)問題
在講授了(必修加選修)高二《物理》第八章“動量”之后,同學們對動量守恒的理論產生了濃厚的興趣,想探究一下該理論的科學性。于是在班長的帶領下,物理興趣小組的同學們按照動量守恒的條件,利用塑料飲料瓶制作了大大小小的“水火箭”十多個。經過試射,全部發(fā)射成功。同學們都非常高興。但是c同學卻提出了一個問題:“我制造的‘環(huán)保1號水火箭’發(fā)射了五次,但每次發(fā)射的高度不一樣,有時低有時高,這是什么原因呢?怎樣才能讓‘水火箭’每次都發(fā)射得很高呢?”劉老師聽了c同學的發(fā)言后說:“這說明我們還沒有把握制約‘水火箭’發(fā)射高度的因素!甭犃死蠋煹脑,大家覺得有理,于是集體決定,下一步就來研究“水火箭”發(fā)射的高度到底與哪些因素有關。
二、大膽猜想
在班長的主持下,召開了一個研討會,內容是“制約‘水火箭’發(fā)射高度的因素有哪些。”程海獅同學說:“‘水火箭’發(fā)射高度與‘水火箭’自身的質量有關。”
生z:與瓶內的氣壓有關。
生w:與瓶中灌水的質量有關。
生t:與“水火箭”的外部形狀有關。
生v:與瓶口的橡皮塞和金屬氣門的質量有關。
上述同學在提出自己的假設之后,都對假設的“因素”進行了推理和驗證,提出了自己的理論依據(jù)。
下面僅舉一位同學的假設與求證。
假設:“水火箭”發(fā)射的高度與“水火箭”的質量有關。
求證:設“水火箭”自身的質量為m1,發(fā)射速度為v1。所謂“水火箭”的發(fā)射速度是指水、塞和氣門噴出時“火箭”向上的即時速度。被高壓氣體向下噴出的水、橡皮塞和金屬氣門總質量為m2,噴射物向下噴射的速度為v2。由動量守恒定律有:
m1v1+m2(-v2)=0
∴v1=m2v2/m1
說明:v1與m2、m1、v2有關。
如果m2、v2保持不變,則“水火箭”發(fā)射時的速度與自身的質量成反比,即:m1越小,v1越大,v1越大,發(fā)射越高。
故“水火箭”的發(fā)射高度與“水火箭”的質量有關,即m1越小,發(fā)射越高。
(劉老師在研討會上對同學的大膽假設與推理給予了點評,并鼓勵大家通過實驗來檢驗自己假設的正確性。)
三、實驗探究
會后,全班分成四個實驗小組,開展了認真而細致的實驗探究活動。各組根據(jù)自己的假設,分別進行了對比發(fā)射實驗。下面,記錄了第一實驗小組進行探究性實驗活動的過程。
該小組的組長說:“我推出‘水火箭’發(fā)射速度公式v1=m2v2/m1,應該是正確的。我們來做一個實驗證明‘水火箭’質量m1越小,發(fā)射速度v1越大,發(fā)射越高!
生m:在研究一個變量與幾個變量的函數(shù)關系時,我們可以選用兩個形狀、大小完全相同,里面灌水的質量、橡皮塞和氣門的總質量m1相同的“水火箭”,將其中一火箭瓶頸上綁上一塊環(huán)形鐵塊,使兩個“火箭”的質量不同,進行發(fā)射對比實驗。
生x:你的假設實驗只控制了一個變量m2不變,還有水、塞子和氣門向下噴出的速度v2如何控制,使它們相同呢?
生t:我想出了一個辦法,讓兩個瓶口的塞子塞得松緊程度一樣,打氣后,高壓氣體沖開瓶塞時的壓強就會一樣大,產生向下的推力也一樣大,噴出水和橡皮塞的速度v2就會一樣了。
大家異口同聲說:“對,對,兩個變量控制問題解決了!毕旅媸浅毯*{小組研制做對比發(fā)射用的兩個“水火箭”的設計圖:
控制兩個變量相同:甲乙兩個“水火箭”的噴射物的總質量m2相同;甲乙兩個“水火箭”向下噴射的速度v2相同,由一位同學使用同樣的力度塞緊甲、乙兩個“水火箭”的橡皮塞來控制。這樣就使兩個“水火箭”的m2、v2滿足相同的條件,讓甲“水火箭”的質量>乙“水火箭”的質量,然后,對比發(fā)射。