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介绍

如果你在电视上看过火箭发射, 你会发现火箭由多个部分组成。 火箭的一部分会在通过大气层时脱落并燃烧,而火箭的其余部分仍在继续上升。 为什么会发生这种情况呢?你可以通过这个实验找到答案,并且可以自己用气球亲手制作一个两级火箭!

背景

想象一下,当你爬山时背着一个沉重的背包。 那将会耗费你大量的体能,对吧? 现在想象一下你想徒步爬到山顶,观赏美丽的风景,但在你的旅途中, 你决定抛下你的背包, 从而让自己更轻便地到达山顶。 这意味着你的徒步旅行的下半段将不需要用到上半段那么多的体能。

第 1 段(可获 1.8 积分)

同样的做法也适用于发射火箭。 要将火箭送进太空需要大量的能量, 因此科学家和工程师们并不是设计和建造了单级的巨大的火箭直接送入太空轨道, 而是研制出了多级火箭。 当第一级火箭的燃料耗尽后, 它就会脱落,掉落回地球, 从而使得第二级火箭更加轻便地进入太空, 而不需要再消耗承载第一级火箭的燃料。 这种方法可以使得使用较少的燃料将火箭推进到预定轨道。

在这个实验中,你可以亲手用气球建造一个两级火箭。 当你把气球充满气,然后松开喷嘴, 空气就会从气球后面被释放出来。 根据牛顿的第三运动定律(每一个运动都 有一个与其力度相等、方向相反的反应), 这意味着气球将会被推进。 作用这个定律可以用一些常见的物品做出一个简单的(和安全的!)火箭。

第 2 段(可获 2.01 积分)

材料

  • 两个气球(这里用的是细长的”可以做成动物形状的气球, 而不是圆形的气球)
  • 两根吸管
  • 两个大活页夹
  • 纸巾筒
  • 钓鱼线或细线(使用钓鱼线效果会更好,因为它的摩擦力较小)
  • 剪刀
  • 透明胶带或封口胶带
  • 一位助手协助你设置火箭
  • 气球打气筒,加快气球充气的速度(可选)
  • 两件坚固的家具,它们之间至少要相距几英尺(用来系上钓鱼线或细线, 两件家具相距越远效果越好!)
  • 一个开阔的空间,用来发射气球火箭
第 3 段(可获 1.28 积分)

准备工作

  • 钓鱼线很难被看到,所以在做这个实验时请确保已告知周围的人 不要穿过这条线。
  • 用钓鱼线穿过两根吸管。
  • 把钓鱼线的两端绑在两件坚固的家具上,并确保线被拉紧。 线越长, 效果会越好。
  • 从卷纸筒上剪下一个小圆环(长度小于一英寸)。
  • 在充气前把气球拉伸开。

步骤

  • 把第一个气球充入四分之三的气。 让你的助手帮忙捏住气球的喷嘴, 但不要绑住它。或者你在可以用一个夹子夹住喷嘴,防止气球漏气。
  • 将第一个气球的喷嘴穿过纸板环并压向一侧, 确保不让气球漏气。
  • 将第二个气球的部分穿过纸板环, 使它的喷嘴与第一个气球的方向相同。
  • 小心地把第二个气球充四分之三的气。 你的目标使第二个气球在纸板环内部 挤压第一个气球使其喷嘴闭合。 这可能需要一点耐心!但如果你在给第二个气球充气时,有一位助手帮助你控制住纸板环和第一个气球,这个步骤会更容易完成。 如果你完美地完成了这个步骤,那么当你把第一个气球的喷嘴松开时,气球不会漏气。 如果在过程中出现问题,你可以先把第一个气球的喷嘴捏住。
  • 夹住第二个气球的喷嘴, 可以用你的手指或夹子。
  • 把气球贴到吸管上, 使气球沿着钓鱼线排列。 尽可能确保气球和吸管是平行的。 如果气球弯曲,或是吸管弯折, 这可能会增加额外的摩擦,减缓火箭的速度。
  • 当你放开气球时,你认为会发生什么?
  • 将气球拉到线的一端并松开两个喷嘴。 发生了什么?你的两个气球和两级火箭之间有什么相似之处? 如果只有一个气球,你的两级火箭可以飞多远?
  • 额外步骤: 尝试添加额外的气球,使其成为一个三(或更多)级火箭。
  • 额外步骤: 试着将绳子垂直而不是水平固定。 你的火箭能飞多高?
  • 额外步骤: 做一个测试来比较不同类型的火箭。 比较一下两级火箭和一个用两个单级火箭并排连接的火箭,它们同时被释放后会发生什么? 哪一种火箭可以飞得更远?
第 4 段(可获 6.19 积分)

观测结果

你应该可以注意到你的两个气球就像火箭的两级。 一个气球使另一个气球的喷嘴在一开始时是关闭的, 防止它们同时放气。 所以,应该让第一个气球先放气,就像火箭的第一级。 当第一个气球变瘪,第二个气球的喷嘴就会松开, 它就像是火箭的第二级,在第一个气球留在原地后会继续沿着线前进(只要你没有把它们粘在一起)。 理想情况下,第二个气球将会飞得更远,因为它不需要再消耗推动第一个气球的能量。

第 5 段(可获 1.59 积分)

如上所述,在获得成功前可能会需要多次尝试。 要是第一个气球完美地压制住第二个气球的喷嘴是很困难的。 可能会出现两个气球同时放气的情况。 如果发生这种情况,不要沮丧!你要像一个真正的工程师那种, 从错误中吸取教训,再试一次。 经过多次尝试,特别是如果你有别人来帮助你控制气球的喷嘴, 你的实验会更容易成功。

清理工作

完成实验后立即取下钓鱼线; 其他材料如果不可重复利用就扔掉。

第 6 段(可获 1.38 积分)

文章评论

班纳睿
好神奇的样子😄
访客
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