永嘉县上塘城西小学 四（9）班 汪哲
一、研究背景
我的心中一直有一个“飞天梦”，我喜欢看跟航天航空相关的书籍。去年学校举行纸火箭比赛，让我对纸火箭产生了浓厚的兴趣。
纸火箭比赛要求：用A4纸，保鲜膜，双面胶，吸管等材料制作一个用嘴巴吹气作为动力的的火箭。纸火箭的大小和形状没有限制，但高度不低于10厘米。
影响纸火箭的射程是什么呢？带着这个问题我开始了研究。
二、研究过程
纸火箭的射程受多种因素影响，包括火箭形状、火箭尺寸、发射角度、火箭重量、发射力度、气压、空气阻力等。我们并不能改变比赛现场的气压、发射力度，但改变火箭形状、尺寸可以减小火箭在空气中受到的阻力，从而提高飞行速度和稳定性。所以我从火箭的形状、火箭的尺寸、发射角度三个方面进行研究。
（一）纸火箭的形状
什么形状的火箭才能飞得又稳又远呢？带着这个问题，我找到了火箭模型进行对比发现火箭主要有箭头、箭体、尾翼三部分组成，如图1。如果用长方形纸卷成圆柱做为箭身，再做一个圆锥贴到箭身上做箭头，圆柱的另一头贴上尾翼就能做出一个纸火箭了。
我先剪出一个长11厘米，宽14厘米的长方形，再在14厘米的边上贴上宽度为0.7厘米的双面胶，把长方形卷成一个底面直径约3.5厘米高14厘米的圆柱作为箭身。再用圆规在纸上画出一个半径5厘米圆心角为100°的扇形，贴上双面胶做成一个圆锥。把这个圆锥用双面胶贴到箭身上做火箭头。最后我剪出三个两层的直角梯形均匀地贴到箭身的另一端作为尾翼。做完后吸管插入箭身鼓足了劲吹，气体从吸管进入箭身，再从吸管和箭身之间的缝隙泄露，费了九牛二虎之力才吹出去，落地距离不足2米。
第一版实验失败是由于气体泄露过多，使得发射的力度不够，如果把箭身做得小一点是不是能飞得远一点？总结了第一次的失败经验，我把箭身直径缩小到1.9厘米，这次明显感受到泄露的气体比第一版的少，飞行距离也增加到3米。
如果火箭在空中飞行时气体能托住箭身延长火箭在空中的停留时间，火箭是不是能飞得更远呢？带着这个疑问我在第二版火箭的基础上把尾翼改成了阿基米德螺旋的性状。这次飞行距离有3.9米，但是飞行过程中火箭在空中打转失去了第二版的稳定。阿基米德螺旋尾翼达不到既远又稳的要求。
第三版失败是阿基米德螺旋尾翼让火箭在飞行中打转，那把尾翼的形状改回梯形只把它们稍稍倾斜，会不会克服阿基米德螺旋尾翼的不足，又有普通火箭的稳定呢？带着这样的思考我在第三版火箭基础上对尾翼做了修改完成了第四版火箭，它飞行距离3.8米，可惜飞行时也会打转。
表1 纸火箭的形状和射程的关系
这4版实验可以看出尾翼垂直于箭身底面火箭飞行得最稳，我也明白了为什么现实中的火箭和火箭模型的尾翼都垂直于箭身底面。
其次，4版火箭由于箭身和吸管之间都有一定的距离，在吹气发射时漏气的现象还是很严重导致发射力度不够，射程不远。于是我产生了一个猜想：箭身越接近吸管，吹气时泄露的气体越小，所以发射力度越大，纸火箭飞行距离就会变远。带着这个猜想我在网上查找了相关资料，这些资料证实了我的猜想。同时，资料中还显示尖头的纸火箭比平头的纸火箭射程更远。这是因为尖头的纸火箭在空气中受到的阻力较小，可以更好地保持飞行速度。
最后，为了减轻火箭的重量我在这部分研究中箭身都采用了单层箭身。在实验中发现单层箭身的纸火箭箭身不够坚固，吹一两次就有破损现象。为了避免这个问题接下来的研究改成两层厚度的圆柱作为箭身。
（二）纸火箭的尺寸
我改回火箭第一版火箭的形状，多次实验验证了纸火箭的箭身越接近吸管的直径飞得越远。但是由于吹气的力度问题箭身太紧时不容易飞出。我对箭身底面直径进行多次实验发现当直径是1.3厘米时，火箭飞出吸管会有“嘣”的一声，飞出的力度也最大。
箭身的长度是否会影响它的飞行距离？带着这个问题我查阅了很多资料，确定了箭身高度为18厘米、14厘米、13厘米、12厘米、10厘米作为实验高度。这些之火箭的箭身厚度两层，底面直径是1.3厘米，也就是把箭身展开一条边长是8.2厘米的长方形。
为了制作出一样的火箭头，把边长为6厘米的正方形相邻的两条边粘贴成一个椎体，再用剪刀进行修改就能得到一个圆锥，把这个圆锥贴到箭身上就能得到一个端正的火箭头。这种方法不用圆规和量角器操作起来更加简单。尾翼是三个均为分布的垂直于底面的直角梯形。
我尝试用嘴吹寻找最佳尺寸的纸火箭。箭身长18厘米和10厘米明显较近，14厘米、13厘米、12厘米的纸火箭射程较远。用嘴吹气发射纸火箭会受到我每一次吹出的力度和身体的角度影响，主观性较强。无法从14厘米、13厘米、12厘米的纸火箭中挑选出最佳尺寸。
为了减少发射时的力度和角度带来的误差，用给气球打气的工具制作了简易的发射装置。我把打气筒的一端跟吸管连接，在连接的地方缠上很多生料带防止漏气。再把泡沫箱前后两个面都割出一个凹槽，前面的浅后面的深，把管子卡在凹槽里用量角器调整成45°再用胶布把管子固定在泡沫箱上，就形成了一个45°的发射器，如图3。
防止风影响实验结果，我带着纸火箭到地下室进行操作。在实验中我发现按压打气筒气囊的力度不一样对射程的影响很大，所以我尽量用同样的力气按压发射。每个尺寸进行三次实验取它的平均值进行比较。
根据数据可以看出箭身高度14厘米时射程最远，但与13厘米的相差不大。
（三）纸火箭的发射角度
纸火箭的射程跟发射的角度有没有关系呢？带着这个问题我改良了发射装置。水火箭发射时的角度可以随意调整，并能读出发射角度。我让妈妈从网上买来了水火箭的发射装置拆下发射台，把之前发射纸火箭的打气筒用胶带固定在发射台上。为了精准我还在发射台上安装了一根跟发射平面垂直的管子作为校对纸火箭的发射角度，如图4。
这次我用前两次实验得出的最优纸火箭箭身14厘米三个垂直直角梯形尾翼的纸火箭进行实验。采用了10°、20°、30°、40°、50°、60°6种不同的角度进行实验，每个角度实验实验三次取平均值。
由实验可以看出纸火箭的最佳发射角度为 30°~40°。
通过上述实验可以看出箭头是边长为6厘米正方形围成的圆柱，箭身是直径约1.3厘米、高14厘米的两层圆柱，尾翼是三个均匀分布的垂直于箭身底面的直角梯形的纸火箭，制作过程如图5。发射角度是30°~ 40°时飞得远而且稳定。
三、进一步研究
我通过实验对我找到了纸火箭的最佳形状、尺寸和发射角度。但由于时间和材料的限制我没有对纸火箭的箭头和发射装置进行深入研究。
（一）箭头的设计
理论上讲箭头尖的纸火箭在空气中受到的阻力较小，比平头的纸火箭射程更远，也能够更好地保持飞行速度和稳定性。制作纸火箭时，尽可能选择尖头的设计，以提高射程。但整个实验我更关注的纸火箭的箭身、尾翼形状，虽然对箭头进行了改版但并没有进行实验。
同时查阅资料时看到有资料表示双层箭头能让纸火箭飞得更稳。这也是我接下来要继续研究的问题，多尖的箭头飞得最远，单层箭头和双层箭头对纸火箭的射程和平稳度有什么影响。
（二）发射装置
为了得出有效的数据，在研究纸火箭的形状、尺寸、发射角度时我做的纸火箭尽量只改变一个数据。但是由于条件限制，设计的发射装置用了气球的打气筒使得初始发射力度不能做到每次都一样。
为了设计出能控制发射力度的发射装置我进行了几次改版，如表4。第二版时我尝试先用带压力表的打气筒把气打进瓶子里再利用瓶子里的气压发射纸火箭。但由于材料的限制瓶子的进气口、出气口都漏气，瓶子无法保存大于1个大气压的气体。妈妈帮我在实体店和网店里找了很久还是没找到合适的瓶子。第三版采用的是能给汽车充气的电动充气机，可惜开启时气体缓缓流出，爆发力不够纸火箭只能勉强发射。最终还是采用手动打气机作为发射装置的动力，实验得出的数据还不够科学。
接下我将继续寻找材料设计一款发射力度大而且能控制发射力度的发射装置，为纸火箭的实验提供更准确的数据。
四、研究小结
经过这次研究我找到了纸火箭的最佳形状、尺寸和发射角度。
（一）最佳形状
箭头尖且尾翼垂直于箭身底面，箭身大小接近吸管的纸火箭飞得远且稳。
（二）最佳尺寸
箭头是边长为6厘米正方形围成的圆柱，箭身是直径约1.3厘米、高14厘米的两层圆柱，尾翼是三个均匀分布的垂直于箭身底面的直角梯形的纸火箭。
（三）最佳发射角度
发射角度是30°~ 40°时飞得远而且稳定。
五、研究感悟
这次实验从设计纸火箭的形状到选出最佳尺寸和发射角度，每一个环节都需要细心和耐心。我明白了，只有通过实践，才能真正掌握知识。此外，这次活动还锻炼了我的协作能力。在实验遇到问题的时候我和老师、父母共同讨论和解决问题，才能成功完成任务。我学会了如何倾听他人的意见，如何有效地沟通和协作。
总的来说，这次纸火箭研究活动是一次非常有意义的学习经历。我经历了一次科学研究活动。我期待有更多的机会，去探索和学习更多的科学知识。