李詩琴

(宜賓市翠屏區(qū)行知中學(xué)校 四川 宜賓 644000)

素質(zhì)教育要求教師以學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展來開展教學(xué)活動，開展初中物理教學(xué)課外活動，是一種很好的途徑.宜賓市翠屏區(qū)行知中學(xué)校自2018年9月開設(shè)了物理科技創(chuàng)新社，每周兩個課時.這為我校的物理課外實(shí)驗(yàn)拓展提供了時間支持和資金支持，為培養(yǎng)我校學(xué)生的動手能力、探索能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，從而提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，邁出了關(guān)鍵一步.筆者作為該課教師，開發(fā)了一系列低成本、易操作、高能效的物理課外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中最成功的當(dāng)數(shù)物理的經(jīng)典項(xiàng)目——水火箭的制作與發(fā)射.此課題蘊(yùn)含知識面廣、最終測試效果震撼，能讓學(xué)生對物理與科技的聯(lián)系有直觀深刻的認(rèn)識，且本項(xiàng)目的開展只需購置一套發(fā)射裝置和成本低廉容易獲取的其他輔助材料，因此，筆者認(rèn)為自制水火箭并發(fā)射是一個值得推廣的課題.

下面是筆者對自制水火箭這一課題項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)與實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)分享.

1 認(rèn)識水火箭

水火箭基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一種利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的玩具，同時是物理教學(xué)中經(jīng)常用到的典型實(shí)驗(yàn)案例之一.水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水推進(jìn)火箭，是用廢棄的飲料瓶制作而成的一種玩具.它分為動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分.水火箭科技含量高，寓教于樂，深受廣大青少年喜愛，可以讓他們直觀地了解導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭的發(fā)射升空和回收過程，理解導(dǎo)彈與飛機(jī)飛行的原理及其不同點(diǎn)[1].

圖1 水火箭基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 物理原理

發(fā)射原理：利用打氣筒對動力艙充氣加壓，發(fā)射的瞬間利用瓶內(nèi)氣壓將水向后噴出，從而獲得向前的“反沖力”，由于火箭體的質(zhì)量比水輕得多，所以火箭體可以獲得較大的發(fā)射速度(動量守恒定律).

降落傘打開原理：當(dāng)水火箭上升的時候空氣阻力跟重力會使火箭頭跟瓶身合在一起，而水火箭下降時，由于空氣的力量和加重后火箭頭慣性較大，火箭頭會跟瓶身分開，使降落傘落出來并展開傘面.

3 器材準(zhǔn)備

發(fā)射臺(網(wǎng)購)、噴嘴(網(wǎng)購)、打氣筒、規(guī)格相同的小可樂瓶2個、可樂瓶蓋1個、稍硬紙板、泡棉板(厚3 mm)、502膠水、寬透明膠帶1卷、窄透明膠帶1卷、剪刀、魚線、塑料薄膜桌布、小刀、打火機(jī)、回形針、橡皮泥等.

4 制作步驟

4.1 制作降落傘

降落傘面的制作步驟如下：

(1)如圖2所示，將塑料薄膜桌布裁成40 cm×40 cm的正方形，沿中線對折2次后，得到圖2(c)所示的形狀，再沿45°角分線對折1次，最后沿22.5°的角分線對折成圖2(d)所示的鈍角三角形OAC,其中OB=20 cm，然后沿直線AB剪裁掉多余的陰影部分，展開得到正八邊形薄膜，如圖2(e)所示.

圖2 裁剪降落傘面

(2)加固：將小透明膠帶裁成1 cm×1 cm左右的小方塊，用裁好的小方塊小透明膠帶對八邊形薄膜每個角進(jìn)行雙面粘貼加固，如圖3所示.

圖3 透明膠帶加固頂角并打孔

(3)打孔：將回形針一端扳直成鐵絲，將扳直這端用打火機(jī)燒熱，趁熱在每個角上的小方塊透明膠帶中央打孔，如圖3所示.

(4)穿線：將8根約25 cm長的魚線分別穿過8個小孔，并分別打結(jié)固定在8個角上(要保證打結(jié)后的線長約等于降落傘頂點(diǎn)到中心的距離22 cm).

(5)瓶蓋打孔：將回形針的扳直端用打火機(jī)燒熱，趁熱在瓶蓋中央打孔，孔徑需保證8根魚線都能穿過.

(6)穿蓋捋線：將8根魚線從瓶蓋外側(cè)穿入瓶蓋內(nèi)側(cè)，將線捋成一捆，用透明膠帶將這捆線纏繞1～2圈，纏繞后對魚線長度進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)每根魚線長度相等后，再用502膠水將這捆線粘牢，膠水干透后，保證這捆線不會脫出瓶蓋；如果會脫出，可采用在502膠水粘接處多纏繞幾圈透明膠帶解決.

(7)釋放：將帶降落傘的瓶蓋從高處釋放，觀察下落時傘面展開情況以及下落的平穩(wěn)情況，如果開傘效果不理想，再對傘面對稱性和魚線長度進(jìn)行微調(diào).

開傘效果如圖4所示.

圖4 降落傘開傘檢測

4.2 制作火箭體

火箭主體的制作步驟如下：

(1)將1只可樂瓶底部裁掉，裁掉部分約2～4 cm高.

(2)將裁掉的可樂瓶和另外一只完整的可樂瓶兩瓶底部拼接起來，并用寬透明膠帶粘牢固定.

注意：完整的瓶子作為動力艙，位于下部，并在下部安裝尾翼，裁掉底部的可樂瓶作為平衡艙，位于上部，如圖5所示，并將在瓶口安裝火箭頭.

圖5 火箭體

4.3 制作紙錐火箭頭

火箭頭的制作步驟如下：

(1)先用稍微硬的紙板繞瓶口裹成圓錐蓋，再展開紙板,并裁剪成尺寸合適的扇形紙板，扇形各邊緣可適當(dāng)剪寬1 cm左右，裹成圓錐頭，如圖6所示.

圖6 紙錐火箭頭

(2)在瓶口試戴，再根據(jù)試戴結(jié)果對扇形紙板的各邊緣尺寸進(jìn)行微小的裁剪調(diào)整，直到紙錐火箭頭中線恰好可以與瓶身中軸線在一條直線上，且紙錐口徑略大于瓶身直徑.

(3)用寬透明膠將扇形硬紙粘成紙錐.

(4)在紙錐尖內(nèi)部塞入適量橡皮泥.

降落傘成功打開的關(guān)鍵是火箭頭口徑要比瓶身大，而且火箭頭的內(nèi)部要加重.

確保降落傘能打開的其他方法：把火箭頭的內(nèi)部跟降落傘的中心用一點(diǎn)點(diǎn)粘性不是很強(qiáng)的雙面膠粘在一起，降落時利用火箭頭的分離將降落傘帶出；在傘面中央粘幾粒米，增大慣性，便于帶出降落傘.

4.4 制作火箭尾翼

火箭尾翼的制作步驟如下：

(1)用泡棉板裁出尺寸合適的火箭尾翼.

具體要求：翼寬約為可樂瓶的半徑，形狀自定，如為梯形，可調(diào)為不同形狀，看其對火箭的發(fā)射有何影響.

(2)制作火箭翼底座：用泡棉板裁出寬約2 cm，比翼長2～4 cm的長條.

(3)長條底座中央裁出一條縫，使火箭翼能卡進(jìn)縫中，再用502膠水將火箭尾翼固定在縫中.

(4)待膠水干透后，將底座泡棉板用502膠水粘在火箭動力艙下端4個對稱的方向相同的高度.

(5)用小透明膠帶纏繞火箭翼底座3圈，使底座在動力艙上粘的更牢固.

為降低制作成本，也可用硬紙板替代泡棉板來制作尾翼.

4.5 組裝與發(fā)射

火箭的組裝步驟與發(fā)射步驟如下：

(2)將噴嘴擰在動力艙瓶口，用手指堵住噴嘴口，按壓發(fā)射開關(guān)，同時用力將噴嘴卡在發(fā)射臺上，再松開發(fā)射開關(guān).

(3)將帶傘的瓶蓋擰在平衡艙的瓶口上，注意傘面不能沾水.

(4)將降落傘z形折疊，再蓋上紙錐火箭頭.

(5)用打氣筒給動力艙適量充氣.

(6)按壓發(fā)射開關(guān)，水火箭就會發(fā)射出去.

(7)觀察水火箭的飛行狀態(tài)和降落傘展開情況.

理想的開傘下落狀態(tài)如圖7所示.

圖7 水火箭開傘下落

5 制作發(fā)射效果及反思

由于初中學(xué)生的動手能力弱，制作水火箭過程耗時較長，共計(jì)4個課時.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的發(fā)射成功率約70%，發(fā)射成功的，降落傘打開率約50%，比預(yù)期的結(jié)果好.

有的火箭發(fā)射出去后會轉(zhuǎn)彎，不沿直線飛行，經(jīng)學(xué)生分析得出原因是動力艙、平衡艙和火箭頭中軸線沒在一條直線上、火箭尾翼不對稱等.

注意事項(xiàng)：制作過程中使用小刀、打火機(jī)等工具可能會受傷，操作前要提醒學(xué)生注意操作安全.水火箭的發(fā)射過程中，也存在一定危險(xiǎn).飛行中的水火箭若擊中人，會造成傷害，必須在空曠場地發(fā)射，并且預(yù)判并觀察火箭的飛行軌跡，提前做好疏散，避免發(fā)生傷人事故，最好能讓學(xué)生帶著頭盔；而且在用氣筒打氣的過程中，也存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，不能充太多的氣.

學(xué)生發(fā)射水火箭如圖8所示.

圖8 宜賓市翠屏區(qū)行知中學(xué)校學(xué)生正進(jìn)行“水火箭的制作與發(fā)射”