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專題
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自制簡易火箭

來源:環球科學


基本概念
化學反應
物理
重力
火箭
推力
增壓

引言
你有沒有對煙花、玩具火箭或真的宇宙飛船是如何發射到空中的而感到驚奇?見證這些是一件令人驚奇的事情。看到一些東西對抗地球重力發射是令人興奮的。發射宇宙飛船需要的強大推力來自于它火箭內部的化學反應。這意味著每次你看宇宙飛船發射的時候,你都是在觀看化學過程工作。在這個活動中,你將要用兩個簡單的日常材料把一個物體“炸”向空中:小蘇打和醋。研究如何混合這些化學品得到最好的發射,然后你可以在這個國慶節給你的家人一個自制的抗拒地心吸引力表演!

背景
宇宙飛船如何起飛并進入太空?簡單的回答是它有火箭發動機驅動它。火箭依靠燃燒提供宇宙飛船需要的推力來克服重力并進入軌道。燃燒是燃料(比如,噴氣燃料)和氧化劑(如氧氣)之間的快速的、放熱的化學反應,在這個過程中燃料燃燒產生熱量。通常燃料是有機化合物(包含氫和碳,有時是金屬和/或其他成分)。在化學反應中,產生了新的化合物。這些被稱為廢氣。火箭從底部在高壓下推出熱廢氣,這樣宇宙飛船被推動向上運動。
在這個活動中,你將要使用小蘇打(碳酸氫鈉)和醋(醋酸)而不是火箭燃料來制作一種不同的化學反應,它可以發射由膠卷盒做成的小型火箭。這個反應產生水和二氧化碳(它將表現為氣泡)。你將要利用二氧化碳氣體在加蓋膠卷盒中產生的壓力來發射你的火箭。

材料
帶蓋子和嚴密封口的塑料膠卷盒。Fuji或Kodak膠卷盒都可以。
小蘇打
量匙
蠟紙或碗
勺子


空曠的室外區域,離建筑物至少2米。最好是有一個堅硬的、平整表面,比如鋪設了的庭院或是車道。
防護眼鏡
抹布或紙巾
可選項:圖畫用紙,透明膠帶,貼紙和剪刀
可選項:觀看的幫手,拍錄像的幫手或帶三腳架的攝像機

準備
如果你喜歡的話,你可以裝飾一下你的膠卷盒火箭。你可以繞著膠卷盒包裹一張圖畫用紙,然后裁切紙張,這樣它可以只覆蓋火箭的邊(但是不要高出或低于邊)。在膠卷盒上均勻地包裹好紙后,用一些膠帶縛住它。你可以添加另外的平的裝飾品,像貼紙或圖畫。確保仍然便于蓋上蓋子。
記住,當你發射你的膠卷盒火箭時,確保戴了護目用具并小心謹慎!

步驟
把一茶匙小蘇打放入蠟紙或碗中。在小蘇打中加入八分之一茶匙水,然后混合好。如果你使用的是蠟紙,你可以小心地用蠟紙把潮濕的小蘇打合攏在一起,有助于在水中混合。
把膠卷盒蓋子倒置,并在內部的凹陷處塞滿潮濕的小蘇打。(不要把小蘇打放在邊緣附近,盒子與蓋子咬合的地方。)把它壓緊。把蓋子正面朝上放一會兒。潮濕的小蘇打還在原來的位置嗎?如果它待在原地,繼續準備醋。如果它脫落了,在小蘇打中多加一點點水并混合,但是試著盡可能根據需要少加水。小蘇打不需要塞在蓋子里很久。
在膠卷盒中每次加入一茶匙醋,差不多加到最頂端。你需要在膠卷盒中加入盡可能多的醋——當你一會兒蓋上膠卷盒蓋子時,醋與小蘇打正好接觸不到。根據盒子的大小,這大概需要5茶匙醋。你用了多少醋?
到外面一塊空曠的區域,距離建筑物至少6英尺。如果你想把反應錄下來,設置好攝影機,使得你將要發射膠卷盒火箭的現場在它的取景器內,它的高度至少相當于建筑物的第一層,然后啟動攝影機。(或者,你可以找一個幫手觀察反應來幫助你估計出盒子上升的高度。)
戴上你的防護眼鏡。在平整、堅硬的地點彎腰接近地面然后快速把蓋子蓋到盒子上來密封它。立即把盒子翻過來,這樣蓋子就在地上了,然后快速跑開。等著化學反應發生。它發生需要多久?當蓋子突然爆開的時候,火箭應該發射了。盒子上升了多高?
建議:如果火箭沒有發射,可能是蓋子密封的不夠緊。(如果這發生了,你可能只能看到很多泡沫從盒子中溢出來。)火箭不能正確發射可能還有其他明顯的原因(比如密封蓋子不夠迅速)。如果它沒有正確發射,嘗試再次準備并發射膠卷盒火箭。或許你需要一些練習來適應發射火箭。
發射后,用水小心地沖洗蓋子和盒子然后把它們晾干。如果你的盒子上包著圖畫用紙,確保不要讓它太濕了。
像之前一樣準備潮濕的小蘇打和醋,但是這次醋的使用量比原來的一半多一點。比如,如果你用了5茶匙醋,這次用3茶匙。(還是用一茶匙小蘇打。)
還是到室外,戴上你的防護眼鏡然后發射你剛準備的膠卷盒火箭。它比第一次火箭發射的時間長了,短了還是一樣?它上升的距離高了,矮了還是一樣?
最后,用水沖洗蓋子和盒子,把它們晾干,然后像之前那樣準備,但是這次用一茶匙醋(或者用你最初使用量的大約五分之一)。戴上你的防護眼鏡,到室外發射膠卷盒火箭。跟另外兩次發射相比,這次用了多長時間?跟前兩次相比,這次盒子上升了多高?
如果你對你的每次結果都不確定,你可以嘗試重復它們(用同樣多的小蘇打和醋)。
達到最高發射高度的醋的使用量是多少?你認為這是為什么?
擴展:你可以嘗試多改變幾次醋的量,然后觀察這對火箭發射的影響,比如用一,二,然后是三茶匙醋,等等。(你也可以重復你測試的相同條件來觀察結果的一致性。)改變盒子中醋的量是如何改變它的發射的?
擴展:你也可以嘗試改變小蘇打的量(保持醋的量不變)來觀察它對盒子發射的影響。比如,你可以試著比較一,四分之三,二分之一和四分之一茶匙小蘇打。(調整并使用正好適量的水讓小蘇打粘在蓋子中的凹陷處上。)改變蓋子中小蘇打的量是如何影響火箭發射的?
擴展:給你的火箭加上圓錐和翼片(比如用圖畫用紙),然后用你找到的最佳條件再次發射。加上的這些部分是如何影響盒子發射的?


觀察和結果
用最少量醋的發射結果是最高的發射高度嗎?它用的發射時間也是最長的嗎?
當小蘇打和醋混合在一起的時候,反應生成了水和二氧化碳氣體。在加蓋的膠卷盒內,二氧化碳一直積累,直到所有氣體的壓力使盒子突然打開。然后增壓的二氧化碳迅速地從打開的底部逸出盒子。這就是化學反應是怎樣提供盒子發射所需的推力的。你可能已經注意到了,當用醋的量最少時,發射比用多一些醋的時候所需的時間要長一些。這是因為在盒子中的醋較少,有更大的空間讓二氧化碳氣體填充。從反應中產生更多的二氧化碳需要更長的時間,從而更多的二氧化碳被用來填充這個較大的空間然后積累足夠的壓力來像之前那樣爆開蓋子。總的來說,當用醋的量最少時,有更多的二氧化碳裝滿盒子,應該可以看到更高的發射高度(也許15英尺左右,相比當盒子里幾乎裝滿醋的時候大約有6英尺高)。


清理
如果你在混凝土表面發射火箭,完成發射后在表面噴一些水。


(翻譯 劉夏,審校 余卉)

 

本文來自:環球科學
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