创客教育与中学物理学科融合研究

――关于八代水火箭的项目研究

河南省郑州市第一二二中学      王亚男   451164

摘要：本课题是学生在学习九年级物理《热机》时，由热机的原理联想火箭而确定的选题，旨在通过这一主题加深对知识的理解，更重要的是培养孩子们研究的精神和物理学科素养的提升。是课堂延伸法的学习方式。通过查阅资料、小组讨论、自己动手制作水火箭、并在发现问题时及时调整方案。通过多次研究，最终设计并研发出第八代水火箭（GPS测高和距、GSM同步显示），并发射成功。

关键词：水火箭；传感；GPS；项目研究

一、选题依据

水火箭项目研究是在学习了《热机》这一知识后进行的研究性学习项目，在此之前，学生已经学习了牛顿第一定理、惯性、作用力与反作用力、能量转化等相关知识。有着现实的知识储备，能够将这些知识通过这一研究性学习将知识进行建构和运用。

二、研究价值

1.八代水火箭的项目研究，通过小组合作、学习、自主探究、亲身实践研究出八代水火箭。初步了解火箭发射的有关科学知识，把所学知识（牛顿第一定律、作用与反作用、能量守恒定律）与现实生活相联系。帮助学生构建知识框架，有助于学科知识的理解运用。

2.在实践中反复探究、遇到问题采取反复实践、借助已有生活经验、学习他人经验等方法去再创新、创造，培养解决问题的能力，同时提高创造能力培养合作精神，探究意识及认真细致、敢于创新、一丝不苟的科学态度。

3.八代水火箭的项目研究，最终会形成一个水火箭项目课程。为初中物理学科的研究性学习（项目研究）提供了一个可借鉴、可参考的蓝本。

三、研究内容和方法

通过这次活动，我们逐渐改进了火箭箭体、头锥、尾翼，解决了阻力过大的问题；通过多次调试和实验解决了发射控制的问题，从而改变了瓶内气压大小；通过向专家学习，了解了新的科技技术，利用气压传感器和GPS定位解决了测量高度和距离的问题。然后通过GSM模块解决了数据传输和显示的问题。研究内容包括：1.发射轨道对射程的影响；2.弹头重量对发射轨道的影响；3.发射仰角的影响；4.怎样实现高度和距离的准确测量。

研究学习所采用的的方式、方法主要有：1、自主学习；2、小组讨论、交流；3、网络资源的查阅；4、动手实验；5、向老师请教；6、向专业人士请教；7、向专家学习。8、分析、总结。

四、研究活动过程

1.信号采集单元

由7.4V锂电池组供电，通过电源稳压芯片提供5V和3V电源，5V电源为GSM模块供电，3V电源为GPS模块、大气压传感器、存储芯片和单片机供电。工作时GPS模块、大气压传感器把得到的GPS坐标和大气压值传给单片机，单片机通过运算处理得到距离和高度，再控制GSM模块把其数据通过SMS（短信）发给终端单元。

2.终端单元

由7.4V锂电池组供电，通过电源稳压芯片提供5V和3V电源，5V电源为GSM模块供电，3V电源为单片机供电。

火箭匹配——工作时单片机通过GSM模块把匹配信息发给所匹配的火箭来完成匹配工作。

接收火箭内容——工作时当信号采集单元发送短信后，终端单元中的GSM模块会接收到短信，此时单片机读取GSM模块中的短信内容并解析，然后控制显示屏显示出来。

五、研究结论

通过这一次课题活动，使我们真正体验到了科学研究的乐趣，整个活动充满着科学研究的氛围。我们运用物理课中学到的研究问题的科学方法、指导实践，使我们研究问题有条理，解决问题有方法。通过这次活动，我们逐渐改进了火箭箭体、头锥、尾翼，解决了阻力过大的问题；通过多次调试和实验解决了发射控制的问题，从而改变了瓶内气压大小；通过向专家学习，了解了新的科技技术，利用气压传感器和GPS定位解决了测量高度和距离的问题。然后通过GSM模块解决了数据传输和显示的问题。归纳如下：

1.水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系

通过实验得出，当水量为1/3时，水火箭飞地最高．气压与射程成正比．气压越大，喷水的力量越大，水火箭的冲量越大，水火箭做反冲运动．但是水量过多，喷不完。所以，只有当水火箭内的气压与水量适当时，才能飞地更远更高．

2.怎样提高水火箭的稳定性

首先，水火箭顶部应为尖的，以便于减小空气阻力；其次瓶体形状应接近流线型，这样便于气流的通过。

3.发射轨道对射程的影响

固定水量，发射仰角50°．利用无轨发射架和70cm发射架分别发射水火箭并记录结果：有轨发射器在准确度上胜于无轨发射器．

4.弹头重量对发射轨道的影响

固定水量，发射仰角50°，使用有轨发射器．弹头依序放置填充物，质量为30g，40g，50g，60g．比较弹头重量对水火箭发射轨道的影响．实验的结果得知，这个质量是不确定的，因水火箭的不同而异．

5.发射仰角的影响

固定水量，使用有轨发射器．分别使用发射仰角35°、45°、55°、65°、75°．水火箭的斜发与斜抛有关，所以由理论可得发射仰角为45°时，飞行距离最长．但由发射的结果得知：在发射仰角45°到55°之间（约为52°）时，可以达到最大的射程．

6.怎样实现高度和距离的准确测量

距离：由于采用尺寸测量方面获取发射距离，比较浪费时间和人力，测量精度也得不到保证，故选用GPS定位来获取发射点和着陆点两点的GPS坐标，再通过算法获取到两点前的距离。

高度：由于火箭发射的轨迹为抛物线，所以不能用传统的方面测量，故选用大气压传感器可获得发射点和发射中的最高点两点的气压值，通过算法和获得气压差并得到高度差及火箭发射高度。

六、研究反思

通过这一次研究性学习，我们小组合作，在老师和专家的指导帮助下，研制出了新一代的可定位便于测量的水火箭，解决了一直困扰我们的高度和距离测量的问题。但是伴随着这个问题的解决，新生的问题：比如加入模块后头锥质量较大，影响飞行的高度，还有采用的GSM模块进行信号的传输，数据不容易丢失，但是传输过程延迟较严重。而对于推动力方面的改进，其一设想模型----（横向）多重分离推进装置，即采用多个辅助瓶体捆绑在主题瓶体周围，发射时同时脱离。需要解决的问题是：如何控制和火箭主箭体同时脱离？其二模型是---（纵向）三级分离式，即模拟真实火箭发射时三级分离，实现在空中的多次助推，提升飞行的高度。

参考文献：

[1]蒋志萍.中学生研究性学习指导[M].西安：西安地图出版社．2003．