吹管箭的设计和探究

1．课题的由来及方案设计
　　
　　学生初学动量和动量定理后，短时间内较难理解其物理意义，为此，我设计了趣味吹管箭的探究活动，让学生利用课外时间一边玩一边细细体会动量的物理意义和动量定理的应用，并在活动过程中探究影响箭体发射距离的主要因素。
　　
　　2．实验装置及原理
　　
　　实验装置：吹管箭，它包括圆管和箭体，箭体由空心圆锥体形状的箭头、箭杆和尾翼构成。其特点在于圆锥体的直径和圆管内径相等，用来受风，为箭体提供动力，尾翼保证箭体稳定前进。其结构如图1、图2所示。
　　

　　实验原理：本装置使用方法简单，只须将箭体放入管内用口对着管口向内用力吹气即可。由动量定理可知，箭体在塑料管中获得的冲量越大，发射的距离就越远。
　　
　　3．实验的任务和猜想
　　
　　本实验的任务包括两个方面其一，设计各种造型的箭体，发现结构合理的箭体造型，其二，探究影响箭体发射距离的主要因素，初步猜想使用者肺活量的大小、管子的长短、箭体的质量、造型结构都对发射距离有一定的影响。
　　
　　4．实验过程
　　
　　原理分析──箭体造型设计──箭体制作──试射──发射比赛──定量实验探究──形成结论。
　　
　　活动的第一阶段，我们利用了1个星期，共4课时的时间分小组进行理论上的讨论和设计，确定箭体结构和材料，接着利用了5周20课时进行制作和试射实验，在反复实验中进行作品的改进。第二阶段，利用4课时在学校科技节进行大规模的发射比赛，展示活动的成果，共有92个作品参加比赛。第三阶段，选拔一部分核心成员组成研究人员，利用4课时进行深入的定量研究，探究影响箭体发射距离的主要因素。
　　
　　5．实验数据及分析
　　
　　为了抓住主要矛盾，我们对实验条件进行简化，使用统一直径的塑料管，采用控制变量法重点探究箭体质量、管子长度与发射距离的关系，实验数据如表所示。
　　

　　数据分析：实验结果表明，高中男生吹射时，箭体质量处于5g－6g之间，发射效果最好，太轻、太重都会影响射程，箭体尾部的空心圆锥体锥角处于20°左右时效果最好。管子越长箭射的越远。结合现实使用的方便程度，管子长度宜选在80cm－100cm。
　　
　　6．收获与体会
　　
　　此项活动，制作简单，为广泛发动同学们参与活动创造了条件，活动中同学们得到了充分的科技训练，设计、制作试验、改进、比赛、科学的定量探究，每一个环节都饱含着同学们的智慧和汗水，制作的作品超过了160个，参与人员达到100多人，92个作品在学校科技节正式进行了比赛，随着活动的开展，同学们发射的距离由最初的10m左右提高到比赛时的30～60m不等。此项活动的开展，培养了同学们的钻研精神和设计能力，使他们感受到动量定理在此项活动中的指导作用，增强了对物理知识的理解和兴趣。