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自制简易火箭

来源:环球科学


基本概念
化学反应
物理
重力
火箭
推力
增压

引言
你有没有对烟花、玩具火箭或真的宇宙飞船是如何发射到空中的而感到惊奇?见证这些是一件令人惊奇的事情。看到一些东西对抗地球重力发射是令人兴奋的。发射宇宙飞船需要的强大推力来自于它火箭内部的化学反应。这意味着每次你看宇宙飞船发射的时候,你都是在观看化学过程工作。在这个活动中,你将要用两个简单的日常材料把一个物体“炸”向空中:小苏打和醋。研究如何混合这些化学品得到最好的发射,然后你可以在这个国庆节给你的家人一个自制的抗拒地心吸引力表演!

背景
宇宙飞船如何起飞并进入太空?简单的回答是它有火箭发动机驱动它。火箭依靠燃烧提供宇宙飞船需要的推力来克服重力并进入轨道。燃烧是燃料(比如,喷气燃料)和氧化剂(如氧气)之间的快速的、放热的化学反应,在这个过程中燃料燃烧产生热量。通常燃料是有机化合物(包含氢和碳,有时是金属和/或其他成分)。在化学反应中,产生了新的化合物。这些被称为废气。火箭从底部在高压下推出热废气,这样宇宙飞船被推动向上运动。
在这个活动中,你将要使用小苏打(碳酸氢钠)和醋(醋酸)而不是火箭燃料来制作一种不同的化学反应,它可以发射由胶卷盒做成的小型火箭。这个反应产生水和二氧化碳(它将表现为气泡)。你将要利用二氧化碳气体在加盖胶卷盒中产生的压力来发射你的火箭。

材料
带盖子和严密封口的塑料胶卷盒。Fuji或Kodak胶卷盒都可以。
小苏打
量匙
蜡纸或碗
勺子


空旷的室外区域,离建筑物至少2米。最好是有一个坚硬的、平整表面,比如铺设了的庭院或是车道。
防护眼镜
抹布或纸巾
可选项:图画用纸,透明胶带,贴纸和剪刀
可选项:观看的帮手,拍录像的帮手或带三脚架的摄像机

准备
如果你喜欢的话,你可以装饰一下你的胶卷盒火箭。你可以绕着胶卷盒包裹一张图画用纸,然后裁切纸张,这样它可以只覆盖火箭的边(但是不要高出或低于边)。在胶卷盒上均匀地包裹好纸后,用一些胶带缚住它。你可以添加另外的平的装饰品,像贴纸或图画。确保仍然便于盖上盖子。
记住,当你发射你的胶卷盒火箭时,确保戴了护目用具并小心谨慎!

步骤
把一茶匙小苏打放入蜡纸或碗中。在小苏打中加入八分之一茶匙水,然后混合好。如果你使用的是蜡纸,你可以小心地用蜡纸把潮湿的小苏打合拢在一起,有助于在水中混合。
把胶卷盒盖子倒置,并在内部的凹陷处塞满潮湿的小苏打。(不要把小苏打放在边缘附近,盒子与盖子咬合的地方。)把它压紧。把盖子正面朝上放一会儿。潮湿的小苏打还在原来的位置吗?如果它待在原地,继续准备醋。如果它脱落了,在小苏打中多加一点点水并混合,但是试着尽可能根据需要少加水。小苏打不需要塞在盖子里很久。
在胶卷盒中每次加入一茶匙醋,差不多加到最顶端。你需要在胶卷盒中加入尽可能多的醋——当你一会儿盖上胶卷盒盖子时,醋与小苏打正好接触不到。根据盒子的大小,这大概需要5茶匙醋。你用了多少醋?
到外面一块空旷的区域,距离建筑物至少6英尺。如果你想把反应录下来,设置好摄影机,使得你将要发射胶卷盒火箭的现场在它的取景器内,它的高度至少相当于建筑物的第一层,然后启动摄影机。(或者,你可以找一个帮手观察反应来帮助你估计出盒子上升的高度。)
戴上你的防护眼镜。在平整、坚硬的地点弯腰接近地面然后快速把盖子盖到盒子上来密封它。立即把盒子翻过来,这样盖子就在地上了,然后快速跑开。等着化学反应发生。它发生需要多久?当盖子突然爆开的时候,火箭应该发射了。盒子上升了多高?
建议:如果火箭没有发射,可能是盖子密封的不够紧。(如果这发生了,你可能只能看到很多泡沫从盒子中溢出来。)火箭不能正确发射可能还有其他明显的原因(比如密封盖子不够迅速)。如果它没有正确发射,尝试再次准备并发射胶卷盒火箭。或许你需要一些练习来适应发射火箭。
发射后,用水小心地冲洗盖子和盒子然后把它们晾干。如果你的盒子上包着图画用纸,确保不要让它太湿了。
像之前一样准备潮湿的小苏打和醋,但是这次醋的使用量比原来的一半多一点。比如,如果你用了5茶匙醋,这次用3茶匙。(还是用一茶匙小苏打。)
还是到室外,戴上你的防护眼镜然后发射你刚准备的胶卷盒火箭。它比第一次火箭发射的时间长了,短了还是一样?它上升的距离高了,矮了还是一样?
最后,用水冲洗盖子和盒子,把它们晾干,然后像之前那样准备,但是这次用一茶匙醋(或者用你最初使用量的大约五分之一)。戴上你的防护眼镜,到室外发射胶卷盒火箭。跟另外两次发射相比,这次用了多长时间?跟前两次相比,这次盒子上升了多高?
如果你对你的每次结果都不确定,你可以尝试重复它们(用同样多的小苏打和醋)。
达到最高发射高度的醋的使用量是多少?你认为这是为什么?
扩展:你可以尝试多改变几次醋的量,然后观察这对火箭发射的影响,比如用一,二,然后是三茶匙醋,等等。(你也可以重复你测试的相同条件来观察结果的一致性。)改变盒子中醋的量是如何改变它的发射的?
扩展:你也可以尝试改变小苏打的量(保持醋的量不变)来观察它对盒子发射的影响。比如,你可以试着比较一,四分之三,二分之一和四分之一茶匙小苏打。(调整并使用正好适量的水让小苏打粘在盖子中的凹陷处上。)改变盖子中小苏打的量是如何影响火箭发射的?
扩展:给你的火箭加上圆锥和翼片(比如用图画用纸),然后用你找到的最佳条件再次发射。加上的这些部分是如何影响盒子发射的?


观察和结果
用最少量醋的发射结果是最高的发射高度吗?它用的发射时间也是最长的吗?
当小苏打和醋混合在一起的时候,反应生成了水和二氧化碳气体。在加盖的胶卷盒内,二氧化碳一直积累,直到所有气体的压力使盒子突然打开。然后增压的二氧化碳迅速地从打开的底部逸出盒子。这就是化学反应是怎样提供盒子发射所需的推力的。你可能已经注意到了,当用醋的量最少时,发射比用多一些醋的时候所需的时间要长一些。这是因为在盒子中的醋较少,有更大的空间让二氧化碳气体填充。从反应中产生更多的二氧化碳需要更长的时间,从而更多的二氧化碳被用来填充这个较大的空间然后积累足够的压力来像之前那样爆开盖子。总的来说,当用醋的量最少时,有更多的二氧化碳装满盒子,应该可以看到更高的发射高度(也许15英尺左右,相比当盒子里几乎装满醋的时候大约有6英尺高)。


清理
如果你在混凝土表面发射火箭,完成发射后在表面喷一些水。


(翻译 刘夏,审校 余卉)

 

本文来自:环球科学
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