左岸科學咖啡館

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下課了,休息一下,喝一口香醇的咖啡再出發吧~~請大家多多推薦^^
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讓我們一起射水火箭吧! (玩遊戲學科學)

上個星期六下午,帶著學生們一起到南寮漁港附近,做牛頓運動定律的實驗。為什麼選在南寮做實驗呢? 其實是怕發生火箭失誤造成火箭誤射到無辜的行人,而且怕火箭一不小心就飛往民房,把玻璃打破了! 那天的天氣非常的晴朗,而南寮的沙岸上的行人非常的少,因此那裏實在非常適合作為火箭發射場所。

(i) 我們先在實驗室內把水火箭製作完成,材料為:
(1) 保特瓶2個
(2) 噴嘴1個(以發射台的活塞配對的,如果不想自行製作,科博館內有賣。)
(3) 機翼 (也用塑膠板來製作)
(4) 火箭頭 (用圖畫紙作就好了)

(ii) 先測量保特瓶內的體積為多少毫升,接著用量筒把1/10和1/5體積的水倒入保特瓶內(水的比例可自行調整),用油性筆在保特瓶身上畫上水的刻度,如此才能試驗多少比例的水,可使水火箭發射至最高點。

(iii) 將機翼對稱的貼黏在保特瓶的四周。

(iv) 將火箭頭黏在保特瓶上。

(v) 將適量的水倒入水火箭內,插入發射台上,用打氣罐將空氣打入水火箭內。(最好使用有壓力計的打氣罐,如此才能測量水火箭內的氣體壓力的大小)
下圖為學生們"很努力地"在幫水火箭"打氣",結果居然把我的打氣罐用壞了orz !




(vi) 將發射台的活塞打開,此時水火箭就升空了!!(小心別太靠近發射台,會被水噴的全身都溼溼的^^)

原理:
(1) 作用力與反作用力 (Newton's 3rd law) : 打氣在火箭內,是為了活塞打開時,氣體噴出時,會對火箭產生一個反作用力,而此反作用力使得火箭往上運動。 而壓力(P)=力(F)/噴嘴的截面積(A),因此,當水火箭內氣體的壓力愈大時,所產生的反作用亦愈大。但要小心保特瓶可承受的最大壓力為多少,一直加壓的話,會造成保特瓶破裂,是很危險的。

(2) 動量守恆:為什麼要加水到火箭內呢? 其實是利用動量守恆定律:M1V1=M2V2。M1為火箭的質量,V1為火箭的初速度,M2為加入水的質量,V2為水噴出的速度。因此,若水的噴出速度相同,而且處於理想狀態時,V1=(M2/M1)*V2,也就是說水的質量與水火箭的質量比值愈大時,水火箭的初速也就愈大。但上述的情況必須是所有的水量一瞬間完全噴出,才會如公式所推導的結果。做實驗時,我們會發現水不可能瞬間就噴完,在一開始時,水火箭是一邊噴水一邊往上運動的,所以水會造成水火箭質量的負擔(也就是火箭的質量增加),根據牛頓第二運動定律(F=M*a),因此火箭的上升加速度無法如預期中的大,這就表示水的多寡會影響水火箭的飛行高度。

(3)向上拋射運動: 因為此實驗的發射角度為90度,所以上升的最大高度,以力學能守恆來計算的話,最大高度(H)=V^3/(2g),V為火箭的初速,g為重力加速度。

(4)空氣阻力:火箭頭與機翼的設計會造成空氣阻力的大小。

其實在玩水火箭的過程,好好的思索一下物理意義,能一邊學習科學和數學哦^^ 
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