探究“水火箭”發(fā)射的高度
深圳市華茂實驗學校 劉天海一、發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)過試射，全部發(fā)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(huán)保1號水火箭’發(fā)射了五次，但每次發(fā)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(fā)射得很高呢?”劉老師聽了c同學的發(fā)言后說：“這說明我們還沒有把握制約‘水火箭’發(fā)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(fā)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(fā)射高度的因素有哪些。”程海獅同學說：“‘水火箭’發(fā)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(jù)。
下面僅舉一位同學的假設與求證。
假設：“水火箭”發(fā)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(fā)射速度為v1。所謂“水火箭”的發(fā)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(fā)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(fā)射越高。
故“水火箭”的發(fā)射高度與“水火箭”的質量有關，即m1越小，發(fā)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(jù)自己的假設，分別進行了對比發(fā)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(fā)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(fā)射速度v1越大，發(fā)射越高。”
生m：在研究一個變量與幾個變量的函數(shù)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(huán)形鐵塊，使兩個“火箭”的質量不同，進行發(fā)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(chǎn)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(fā)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(fā)射。