探究水火箭發射的高度物理教案

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一、發現問題

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‘環保1號水火箭’發射了五次，但每次發射的高度不一樣，有時低有時高，這是什么原因呢?怎樣才能讓‘水火箭’每次都發射得很高呢?”劉老師聽了C同學的發言后說：“這說明我們還沒有把握制約‘水火箭’發射高度的因素。”聽了老師的話，大家覺得有理，于是集體決定，下一步就來研究“水火箭”發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’發射高度的因素有哪些。”程海獅同學說：“‘水火箭’發射高度與‘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。

下面僅舉一位同學的假設與求證。

假設：“水火箭”發射的高度與“水火箭”的質量有關。

求證：設“水火箭”自身的質量為m1，發射速度為v1。所謂“水火箭”的發射速度是指水、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，發射越高。

故“水火箭”的發射高度與“水火箭”的質量有關，即m1越小，發射越高。

(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。各組根據自己的假設，分別進行了對比發射實驗。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，發射速度v1越大，發射越高。”

生M：在研究一個變量與幾個變量的函數關系時，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形鐵塊，使兩個“火箭”的質量不同，進行發射對比實驗。

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。”下面是程海獅小組研制做對比發射用的兩個“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，對比發射。

實驗結果：乙“火箭”比甲“火箭”發射的高度要高，即“火箭”質量小的比“火箭”質量大的射得高。

實驗證明：通過對比發射，“水火箭”發射的高度與“水火箭”自身的質量有關，即質量越小，發射的高度越高。

四、表達交流

全班四個實驗探究小組經過多次反復對比實驗，都獲得了2～4個正確的結論。4月10日下午第三節課(課外活動時間)，高一(4)班在學校體育館大門前召開了“水火箭”探究成果新聞會和匯報實驗活動。邀請了學校領導、各學部領導、全校所有物理教師和有關教師、部分同學參加。

新聞會和匯報實驗活動主持人、班長宣布活動開始。他接著問參加實驗的同學：“‘水火箭’發射的原理是什么?”

第三實驗小組組長C回答說：“發射原理是動量守恒定律。”并在小黑板上畫出了發射原理圖：

有人問：“‘水火箭’發射時滿足動量守恒條件嗎?”

C小組的一位同學回答說：“雖然整個系統在發射時合外力不等于0，但高壓氣體對火箭向上的推力和對水、瓶塞及氣門向下的推力比系統的重力大很多，所以可以忽略系統的重力，因此，可以看成是滿足動量守恒的條件。”

全場一百多人對這位同學的回答報以熱烈的掌聲。

主持人又問：“‘水火箭’發射的高度與哪些因素有關?”

第一實驗小組組長站出來邊介紹邊指揮全組同學做出兩個質量不同(其他條件一樣)的火箭的對比發射。

實驗結果：火箭質量小的發射的高度高。

全場又一次響起了雷鳴般的掌聲。

接著，第二、第三、第四實驗小組也先后用同樣的控制變量法，進行了對比實驗，效果完全一致。

最后，班長向全場領導、老師和同學宣布“水火箭”發射的高度與下列因素有關：

1.與火箭的質量有關：質量越小，發射越高;

2.與火箭內的氣壓有關：氣壓越大，發射越高;

3.與火箭噴射物(水、橡皮塞和氣門)的質量有關：灌水的體積在整個容積的2/5左右時，發射高;

4.與火箭體形有關：火箭呈流線型時，發射高。

劉老師最后說：“‘水火箭’發射的高度還與很多因素有關，還需要我們繼續探究。”

點評：

劉老師指導下的“探究‘水火箭’發射高度”的研究活動，是學生自主參與類似于科學研究的學習活動。同學們自己發現問題，自己提出假設，自己實驗探究，自己表達交流。他們通過親身體驗，表現了善于質疑、樂于探究、勤于動手、努力求知的積極態度。在整個活動中，同學們參與面大，情感積極，配合默契，方法科學，具有不懈的探索精神和強烈的創新欲望，是一次非常成功的研究性學習過程，是一次大膽的探究教學過程。同時，它展示了新課改形勢下一種平等互動的新型的師生關系，給研究性學習和探究性教學提供了極有價值的范例。