第二課堂-水火箭的設(shè)計與制作

PAGEPAGE5東莞市2010年中學(xué)物理教學(xué)參評論文第二課堂活動方案—水火箭的制作及發(fā)射摘要：本文全面介紹了以水火箭制作為內(nèi)容的第二課堂活動方案，同時對水火箭的原理、制作過程以及改進研究過程做了詳細的描述，使學(xué)生在這項研究性學(xué)習(xí)活動中綜合素質(zhì)得到了全面提高。關(guān)鍵詞：第二課堂水火箭制作發(fā)射研究性學(xué)習(xí)一、活動的背景和目的研究性學(xué)習(xí)指在教師指導(dǎo)下，學(xué)生從自然、社會和生活實際中選擇和確定相關(guān)的專題進行研究，并在研究過程中主動獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的學(xué)習(xí)活動[1]。在中學(xué)開展研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生鍛煉了學(xué)習(xí)知識、收集和處理信息、分析和解決問題以及團結(jié)協(xié)作等各方面的能力，是全面培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前，中國已經(jīng)成為一個航天大國，神舟飛船的升空以及“嫦娥探月”計劃的實施使得普通民眾民族自豪感高漲，對于航天事業(yè)的關(guān)注度也越來越高。而校園內(nèi)具有良好的學(xué)習(xí)氛圍，水火箭作為一種喜聞樂見的航天模型活動，既滿足了學(xué)生的求知欲望，又有很高的科學(xué)性，技術(shù)性，欣賞性，在中小學(xué)開展普及較為容易。恰逢我校舉辦科技節(jié)活動周，借此機會開展以水火箭制作為內(nèi)容的第二課堂活動，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鍛煉學(xué)生的動手能力，從而達到全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的目的。發(fā)射調(diào)試參加比賽完成報告模型制作發(fā)射調(diào)試參加比賽完成報告模型制作教師引導(dǎo)學(xué)生主體完成制定計劃圖1圖1為整個活動的流動圖，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教育理念。（一）教師引導(dǎo)：教師介紹有關(guān)水火箭的背景資料及原理，說明活動的要求與意義。（二）學(xué)生主體完成：學(xué)生首先分組，每組4-5人，設(shè)小組長，同時分工具體落實到每個組員，充分體現(xiàn)團隊合作精神。（1）學(xué)生上網(wǎng)查閱水火箭資料，制定計劃。（一周）

（2）水火箭箭體模型的制作:包括水火箭的箭身、尾翼及發(fā)射膠塞的制作。（一周）（3）發(fā)射調(diào)試:整體模型完成后,發(fā)射測試，針對存在的問題進行改進。（一周）（4）以書面材料的形式完成報告。（一周）（三）在學(xué)?？萍脊?jié)活動周內(nèi)，鼓勵學(xué)生自由組隊，參加學(xué)校水火箭50米定點發(fā)射比賽。三、水火箭的原理及制作過程水火箭的原理與高中所學(xué)物理知識聯(lián)系緊密，因此非常適合高中生參與制作。表格1為水火箭發(fā)射過程中涉及的物理原理：表1發(fā)射順序說明物理原理加水利用動量守恒原理，使水火箭飛得更快動量守恒打氣利用水火箭內(nèi)外壓力差，產(chǎn)生作用力氣壓發(fā)射利用作用力與反作用力，使火箭飛行牛頓第三定律飛行因為發(fā)射時是斜拋，受重力和空氣阻力的影響，飛行時的軌跡是彈道曲線斜拋運動彈道曲線1.所需材料：1.25L的可樂汽水瓶（2個）、電工膠布、橡膠塞、單車氣門芯等。2.水火箭制作過程：（1）水火箭箭體：將一個可樂瓶剪成兩節(jié)（兩節(jié)的長短根據(jù)實際制作情況來定），將瓶口一節(jié)套在另一個可樂瓶的瓶底上（用電工膠布粘接）作為火箭頭。另外火箭盡可能變成細長的圓錐形，可將整個箭身包上一層硬塑料，保持流線型，使箭體堅固，并減少飛行阻力。（2）機翼：水火箭在沒有尾翼的情況下，飛行時很容易左右搖擺，其所獲得的動能部分消耗在糾正方向上，所以必須加上尾翼。可以先利用一根細繩環(huán)繞箭體一圈，再用尺子劃分等分作上記號，然后再纏繞到箭體上作上記號，將硬塑料片剪成的尾翼粘在箭體身上，最后用電工膠布粘貼，完成的水火箭如圖2。圖2（3）氣體導(dǎo)入裝置:我們采用橡膠塞加單車氣門芯作為氣體的導(dǎo)入裝置。首先用打孔器在橡膠塞上打上合適的孔徑，然后用502膠水將氣門芯固定在膠塞上。圖3為膠塞實物圖。圖3四、水火箭的改進及研究經(jīng)過發(fā)射，我們發(fā)現(xiàn)完成的水火箭模型無法達成定點發(fā)射的目標。失敗原因如圖4所示：發(fā)射失敗發(fā)射失敗火箭頭部太輕導(dǎo)致飛行不穩(wěn)，較易受風(fēng)力等天氣因素影響橡膠塞與瓶口摩擦有限，導(dǎo)致水火箭發(fā)射壓力不足，射程過近發(fā)射時的注水量、發(fā)射角度和打氣次數(shù)等認識模糊改進方案二改進方案一改進方案三改進方案二改進方案一改進方案三圖4我們指導(dǎo)學(xué)生對這些問題進行研究，最終對水火箭做出如下改進：改進方案一：火箭頭部太輕導(dǎo)致飛行時穩(wěn)定性差。學(xué)生經(jīng)過討論提出用橡皮泥固定在頭部，橡皮泥穩(wěn)定性好，不會隨意晃動，這種方法確實能起到穩(wěn)定箭體的作用。改進方案二：針對水火箭體內(nèi)壓力不足的問題，經(jīng)過網(wǎng)上查找資料[2]和師生間的激烈討論，學(xué)生提出兩個方法加以解決。一個是往膠塞抹膠水，增加膠塞與瓶口的摩擦，從而增大火箭體內(nèi)的壓強。這種方法的確可以使水火箭飛遠，但有可能超過50米的定點距離，與我們的定點飛行要求不符，并且很難將抹膠水的行為量化，只能放棄這個方法；另一個方法是自行設(shè)計了一個手控發(fā)射架，控制水火箭的發(fā)射。在擋板中間開一個小孔，剛好能讓氣門芯的頭部穿過，使用時，夾子從擋板后夾住，這樣，當(dāng)“水火箭”爆射的瞬間，除飛行部分外其它部件都能紋絲不動。圖5是設(shè)計的兩種發(fā)射架，不但可以控制發(fā)射，還可以調(diào)整發(fā)射角度。其中(a)和(b)顯示的是“抽拉式”發(fā)射架，(c)和(d)顯示的是“擠拉式”發(fā)射架：(a)(b)(c)(d)圖5改進方案三：首先，學(xué)生根據(jù)物理必修二學(xué)習(xí)的斜拋知識設(shè)定最佳發(fā)射角度為45度，從網(wǎng)上查找到400ml左右為最佳的裝水量，設(shè)定好這些參數(shù)，我們指導(dǎo)一組學(xué)生研究最佳打氣多少次，可以使火箭體內(nèi)產(chǎn)生合適的壓強，從而達到定點發(fā)射的目的。表2發(fā)射角度θ/(°)瓶內(nèi)水的體積:V水/(ml)打氣筒打氣次數(shù)n/次射程x/m偏離中心點距離L/m454002065.414.6454001547.62.4454001038.211.845400720.729.3圖6表2記錄了與打氣次數(shù)相對應(yīng)的射程和到定點距離的參數(shù)情況，圖6橫坐標為打氣次數(shù)，左縱坐標為水火箭射程，右縱坐標為距定點距離。從表2中數(shù)據(jù)可我們得出以下的實驗結(jié)論：在發(fā)射角度為45°和裝水量400ml的前提下，打氣次數(shù)越多，瓶內(nèi)氣體壓強越大,水火箭射程就越遠。而圖6打氣15次時出現(xiàn)一個拐點，此時距離規(guī)定位置最近?？梢妼τ趨⑴c實驗的水火箭，打氣15次可得到最佳充氣量。補充：除此之外，學(xué)生還提出很多奇妙的構(gòu)想，如對箭身及尾翼的對于尾翼的改造，有學(xué)生提出根據(jù)子彈飛行的原理，設(shè)計了流線型的尾翼（如圖7），使得火箭旋轉(zhuǎn)飛行來減少空氣阻力，想法非常獨特。圖7五、水火箭比賽組織學(xué)生參加水火箭比賽也是這項活動目標達成的重要環(huán)節(jié)。在科技節(jié)比賽當(dāng)天，盛況空前，比賽場地周圍擠滿了觀看的學(xué)生和老師，水火箭成為整個科技節(jié)最有人氣的項目，這讓參加比賽的同學(xué)也充滿了成就感。這次比賽充分擴大水火箭項目在學(xué)校里的影響力，激發(fā)了學(xué)生參與的熱情，也為下次活動的開展打下了良好的基礎(chǔ)。圖8為當(dāng)天的比賽發(fā)射情況。圖8六、活動總結(jié)通過這次第二課堂活動，一方面，學(xué)生得到了很好的鍛煉，水火箭是一項相對較復(fù)雜的項目，需要學(xué)生團結(jié)協(xié)作，在遇到困難時，主動查找資料，積極思考、交流，找到解決問題的方法，從而在此過程中成長和提高。另一方面，作為教師，在這次活動中也受益頗多，因為學(xué)生提出很多新奇的建設(shè)性的想法，如火箭尾翼的改造，多種發(fā)射架的設(shè)計方法等等，這種思想火花的碰撞對教師而言也有巨大的收獲，真正達到教學(xué)相長的效果。同時，活動的開展也需要借助一定的平臺，如通過科技節(jié)活動周的比賽水火箭項目就擴大