水火箭原理分析.doc

水火箭原理分析.doc:..水火箭原理分析学科知识综合应用的一次体验上虞中学高二(9)班王辉黄利强学校每年的“牛顿杯”科技节中,水火箭是一个传统项目,是一项典型的综合实践活动。做为高二的学生,在这次活动屮,负责木班的水火箭制作和发射,让我们经历了一次难得的学科知识综合应用的过程。特此以原理分析的几点说明Z。飞行原理之物理分析水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭。顾名思义是利用箭内水向后喷出,,由此观Z,水火箭的飞行距离与平内气体的体积与压强冇关。一般地,对于同一个水火箭内部气体能达到的最大压强,跟瓶口与塞子的摩擦力有关,都差不多。所以,在这里我们首先着重讨论瓶屮气体与水的比重。如果瓶内气体过多,气体所具有的最大势能就可以比较大,但相应的水的体积就会减少。设水的质量为M,喷出时向下的速度为V,则水向下的动量为MV,根拯第三定律或动量守恒定率,水火箭获得的动量也应为MV,因为水所占的体积很小,因此质量很小,所以MV也就很小,制作的水火箭就飞不远。如果瓶内气体过少,则相应水所占体积就会增大。瓶内气体所山体积小,所能捉供的能量本身就少,无法立刻将瓶内的水全部排出,这样水火箭将带着大量的水升空,由于瓶连同所带的水的质量太大,制作的水火箭也无法飞得很远。再冇的是我们在水火箭飞行的过程中发现的问题:由于水火箭的本身是用塑料瓶做的,质量较轻,所以不可忽略空气阻力对它的影响。在外型固定的情况卜,质量较小的水火箭受空气阻力的影响就较大。假设水火箭由水的反冲获得的初动量恒定为P,水火箭质量为则初速度v二p/m。而v越大,水火箭相对就能飞得越远,看上面的速度公式可知,在理想状态下,质量m越小,水火箭的初速度就大,它就能飞得更远。但在实际条件下,如杲水火箭质量越小,空气阻力对它的影响就越大,甚至一阵微风就可以让它改变飞行方向,或是从空中掉下来。但如呆我们加大水火箭的质量的话,很明显它的初速度变小了,也飞不远。以上从物理角度分析,水火箭在飞行屮存在二对矛盾:一是水火箭内空气与水的比重,二是水火箭本身重量与空气阻力对它的影响。了解这二点,我们在制作出水火箭Z后就不断得在注水量和口重二方面对它进行测试,找到了最佳的发射量。数理方法确定发射角度在水火箭测试过程中,水火箭射程的远近是测试的主要项目。怎样才以使水火箭射得更远呢?除去水火箭在飞行过程屮所受的摩擦力,我们可以发现水火箭的运行轨迹是一个抛物线,那它的水平射程与什么有关呢?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=VX*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Vx(即水平方向的分速度)和V、,(即竖直方向的分速度),v与水平方向的夹角为e,由以上可知:yv=V*sineV*sin〃乂根拯物理学中落体运动规律可知水火箭在空中的飞行时间为:代入①式得:S=V*cos&*2V*sin&“t2sin&*cos&=2V—:—可把上式化简为:S二7V「*sin2&g正弦函数最大值为1,当sin20=1时由此我们可以知道了水火箭的最大射程,即:g由数学三函数关系:2sin0*cos&=sin20Qmax此时20=90得到:e=45也就是在理想