| 标题 | 新型火箭升空实验装置及其教学应用 |
| 范文 | 王太军 尹克利 摘 ? 要：“水火箭”实验是普通高中物理教学中重要的学生趣味实验活动，但其存在不易起飞、飞不高、喷水淋湿衣服等问题，常常挫败学生的积极性。经设计改进后的新型火箭升空实验装置，利用雾化后的酒精与空气充分混合，在电火花作用下瞬间引燃，借助喷出大量高热气体获得反推动力而升空，其上升高度可以通过向箭体内喷洒酒精的剂量来调节控制。通过遥控方式点火，安全可控性较好，成本低廉，便于制作使用，克服了已有“水火箭”存在的诸多固有缺陷，教学应用效果良好。 关键词：自制教具;新型火箭模型;水火箭;教学应用 中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）5-0079-2 “水火箭”是普通高中物理教学中“动量守恒定律”和“反冲现象”重要的实验，是《普通高中物理课程标准（2017年版）》中“选择性必修1”课程模块中建议的学生实验活动[1]。“水火箭”是利用从箭体塑料瓶内喷出的高速水流产生反推力从而推动“水火箭”上升，但遗憾的是，“水火箭”携带水量以及箭体塑料瓶气密性问题得不到很好的解决，“水火箭”不易起飞、飞不高、喷水淋湿衣服等问题常常挫败学生的积极性。基于此，笔者经过长期测试和应用实践，设计改进的新型火箭升空实验装置，可以较好地解决“水火箭”存在的主要缺陷，教学效果良好。 1 ? ?实验原理与设计简图 本新型火箭升空实验装置的原理是利用雾化后的酒精迅速挥发与空气混合后形成的酒精空气混合物，在电火花作用下瞬间引燃，借助喷出大量高热气体获得反推动力，从而使模型火箭体升空。 本新型火箭升空实验装置设计的结构主要由模型火箭体、发射架两大部分组成，其中模型火箭体由高强度、轻质阻燃材料（可用容积较大的“易拉罐”代替）制作而成，可以有效防止燃烧后的高温高压气体对模型火箭体的损坏;发射架主要由电子点火器、挡物盘、三脚架、遥控按钮等部分组成，可以进行多角度调节，可实现模型火箭体的竖直上升、斜抛和平抛等运动。使用时主要将模型火箭体置于发射架的挡物盘上，通过遥控电子点火方式引燃模型火箭体内的酒精空气混合物，即可发射火箭，其装置结构如图1所示。 2 ? ?操作步骤及其在物理教学中的使用 本新型火箭升空实验装置，在物理教学中的使用方法与步骤（以竖直发射为例）如下： （1）将发射架置于空旷地带，调节发射架三脚架，使发射架中的电子点火器杆竖直，并备好湿棉布待用;若条件允许，最好能佩戴护目镜、阻燃材质的防护服和手套等。 （2）手握住模型火箭，用盛有95%浓度酒精的花露水瓶向模型火箭喷气口内喷洒酒精，视当地气压、湿度适当增减喷洒酒精量（一般按压喷头3～5次即可），酒精喷洒完成后，可以向模型火箭内吹气，使模型火箭体内酒精与空气充分混合。 （3）将模型火箭的喷气口向下，使电子点火器电火花发生端缓慢插入模型火箭塑料瓶内，将模型火箭置于发射架的挡物盘上，并使箭体竖直。 （4）打开电子点火器的电源开关。 （5）操作人员远离模型火箭发射架，并选择在较远安全处准备按压遥控点火键。 （6）待其他人员离开模型火箭一定距离后，择机按压点火键。通常情况下，伴随“嘣”的一声，模型火箭内的酒精空气混合物瞬间被引燃，喷出大量高热的气体，模型火箭体骤然升空。 （7）安全收置模型火箭体。由于模型火箭体内气体对外瞬间做功和运动过程中外部气流影响，其内部温度急剧下降，温度甚至降至酒精的着火点以下，所以落地后的模型火箭体内通常不会存在酒精燃烧的情况。但是，为了做到尽可能安全，建议在模型火箭体发射升空落地后及时用湿棉布捂住模型火箭体喷气口一段时间，防止其内部酒精继续燃烧。因为酒精燃烧的火焰颜色浅淡，极不易被发现，此步骤是为了尽可能消除箭体落地后的安全隐患。 此外，若要实现模型火箭体的斜抛和平抛等运动，可以通过调节三脚架改变电子点火器直杆的仰角来实现，操作与上述步骤一致。值得一提的是，本新型火箭升空实验装置上升的高度可以通过向箭体内喷洒的酒精剂量来调节控制，初次使用时酒精不要过量，以防止上升太高下落后伤及他人（亦可通过加装降落伞装置来降低风险）。 3 ? ?教学应用的效果与优势 本新型火箭升空实验装置能形象地展示火箭点火升空的物理科学原理，尤其是在暗光背景下，发射瞬间还能看到模型火箭体喷气口喷出的淡蓝色火焰，形象地还原了航天火箭点火升空的真实情景。本实验克服了在教学中目前仅能用Flash动画、视频来展示航天火箭升空以及“水火箭”不易起飞、飞不高、喷水淋湿衣服等缺陷，让学生能更直观地体验火箭点火升空的瞬间，增强学生的民族自豪感和爱国热情。本新型火箭升空实验装置，可以用于普通高中物理“动量定理和动量守恒定律”部分的教学，可拓展应用于“匀变速直线运动”“平抛运动”“斜抛运动”“自由落体运动”等内容的综合实验探究。 新型火箭升空实验装置不但取材简便、成本低廉，而且发射后模型火箭体的上升高度可以通过向其内部喷洒酒精的剂量来精确控制，室内、室外均可使用，而且安全性完全可控;可以用作演示实验教学，也可以作为学生分组探究实验。在物理教学应用中，学生惊叹不绝，其教学效果十分显著。同时，该实验还可作为初、高中学生课外科技创新实践活动、通用技术、steam教育中的趣味教学内容，方便学生亲身体验和动手制作。 综上，本新型火箭升空实验装置克服了当前高中物理教学中“水火箭”[2]携带水量比例和气密性不良、操作不便等固有缺陷，与已有相关研究相比[3]，本新型实验装置更加轻量化、小型化和简约化，方便携带和操作，能更加真实地还原航天火箭发射的真实情景。在激发学生物理学习兴趣和求知欲的同时，通过深度参与科学探究，激活学生的科学思维，促进学生物理观念的生成和科学态度与责任感的养成，培养学生的民族自豪感和爱国主義精神，增强学生的文化自信。 参考文献： [1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018：24. [2]李梅.水火箭的制作与发射[J].物理教学，2008，30（10）：61-62. [3]李江，尹红.带延时降落伞的二级分离水火箭的制作与发射[J].物理教学探讨，2019，37（3）：48-50. （栏目编辑 ? ?李富强） |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。