纸质竹蜻蜓下落时间的探究

韬

一、研究原因

男孩子的童年都有车、飞机、乐高、变形金刚之类的玩具，最近我迷上了竹蜻蜓，据说它与直升机旋翼的发明还有关呢，我购置三种竹蜻蜓：传统竹蜻蜓、塑料竹蜻蜓和拉绳竹蜻蜓。在玩耍的时候，我发现塑料竹蜻蜓因为旋翼和旋杆都是塑料所作，自重较轻，飞得最高最久，相对也最为稳定。我想竹蜻蜓的飞翔时间是不是与它自身的重量有很大关系呢，除此之外还与哪些其他因素有关呢，我想用纸和吸管来制作纸质竹蜻蜓，通过实验来一探究竟。

二、研究过程

（一） 实验准备
1. 实验器材
打印纸、卡纸、宣纸、纸吸管、竹签、塑料吸管、订书机、卷尺、直尺、三角板、量角器、美工刀、剪刀、电子秤、秒表、相机等。

图1
2. 对照组的设定
以下每个小组实验都有一个对照组的纸质竹蜻蜓，用打印纸剪出2厘米宽，21厘米长的长方形纸条对折作为纸质竹蜻蜓的旋翼。
（二） 实验一、纸质重量对竹蜻蜓下落时间的影响
1. 实验目的：研究纸质重量对纸质竹蜻蜓下落时间的影响
2. 实验步骤：
（1）将吸管上方弯曲处剪掉，把吸管修剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀约1.5厘米。
（3）用刻刀分别在打印纸、卡纸、宣纸上裁取21cm*2cm的纸条，纸条对折后插入吸管剪开处，再以订书机固定。
（4）将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度约为30度，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也约为30度。
（5）把三个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度同时放下。
（6）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下落的稳定性和所需时间。为取得相对精确的飘落时间数据，每种纸质竹蜻蜓记录5次，取平均值。
3.实验结果：
实验结果见表2和图4。
图4 4.结果分析：
结合实验现场肉眼可观察的情况，发现宣纸做的纸蜻蜓呈垂直下落状态、其次是卡纸蜻蜓相对稳定、第三是打印纸蜻蜓下最稳定、时间最长。究其因是：宣纸做的竹蜻蜓虽然重量最轻，但因为宣纸纸质太软，在下落过程中旋翼基本上无法展开，空气给它浮力自然就小，呈直接掉落状态，所以宣纸竹蜻蜓被淘汰。
卡纸相对而言是最厚和最硬的，在下落过程中，旋翼完全展开情况良好，空气会给它相应的浮力，下落比较稳定，卡纸竹蜻蜓还可以作继续探究。
在相同长度、相同宽度、相同杆子的情况下，因打印纸比卡纸重量轻，打印纸做的竹蜻蜓的平均下落时间是最长的，由此可见竹蜻蜓的自身重量会影响竹蜻蜓的下落时间。所以重量适中、纸面光滑且有一定厚度和硬度的打印纸被选作为实验的对照组。

（三） 实验二、不同材质杆子对竹蜻蜓下降时间的影响
1.实验目的：研究不同材质杆子对竹蜻蜓下降时间的影响
2.实验步骤：
（1）将吸管上方弯曲处剪掉，把塑料吸管、纸吸管、竹签剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀约1.5厘米。
（3）用刻刀在打印纸和卡纸上各裁取三条21cm*2cm的纸条，纸条对折后分别插入吸管（竹签）剪开处，再以订书机固定（竹签用双面胶固定）。
（4）将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度约为30度，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也约为30度。
（5）把六个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度两个两个松手放下。
（6）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下降的稳定性和所需时间。为取得相对精确的飘落时间数据，每种纸质竹蜻蜓记录5次，取平均值。

3.实验结果：
实验结果见表3、表4和图5
4.结果分析：
从实验记录数据发现塑料吸管的竹蜻蜓因其重量最轻，下降时间最久，这进一步印证了重量对纸质竹蜻蜓下降时间的影响之大。打印纸竹签做的竹蜻蜓下降时间居第二，卡纸纸吸管做的竹蜻蜓重量是最重的，下降时间却排第三，结合表4中的旋翼与吸管质量比我们可以发现，作为竹蜻蜓旋翼的纸条重量和作为杆子的吸管（竹签）重量相对比较接近，所以这三种竹蜻蜓在下降的时候容易保持平衡，下降的时间也相对比较久。
另外要说明的一点是竹签杆子的竹蜻蜓，纸和杆子的质量比很接近，而下降时间却不是最长的，可能是因为竹签是实心的，不像塑料吸管或纸吸管是空心，空气对它的影响较小，导致它下落时间较短。

（四） 实验三、旋翼宽度对竹蜻蜓下降时间的影响
1.实验目的：研究旋翼宽度对竹蜻蜓下降时间的影响
2.实验步骤：
（1）将吸管上方弯曲处剪掉，把塑料吸管剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀约1.5厘米。
（3）用刻刀在打印纸裁取四条长为21cm，宽分别为2厘米、1厘米、1.5厘米、2.5厘米的纸条，纸条对折后分别插入吸管剪开处，再以订书机固定。
（4）将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度约为30度，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也约为30度。
（5）把四个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度两两放下。
（6）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下降的稳定性和所需时间。为取得相对精确的自由飘落时间数据，每种旋翼宽度竹蜻蜓记录5次，取平均值。

3.实验结果：
实验结果见表5和图6。
4.结果分析：
打印纸塑料吸管竹蜻蜓，在旋翼角度相同为30度、室内无风情况下，不同宽度旋翼自由下落时间各不相同。旋翼宽度为1厘米的竹蜻蜓，重量是最轻的，但它的下降时间是最短的。因为旋翼太细小，跟空气接触的面也小，空气对它产生的浮力也会变小，所以下降时间也就短了。而旋翼宽度为1.5厘米、2厘米、2.5厘米，随着旋翼变宽，跟空气的接触面积变大，空气对它产生的浮力相应也增加，但同时重量也随之增变大，所以下降时间的峰值出现在宽1.5厘米，重0.5克的竹蜻蜓上，而宽度为2厘米和2.5厘米的竹蜻蜓下降时间相对稍短一点。
（五） 实验四、旋翼角度对竹蜻蜓下降时间的影响
1.实验目的：研究旋翼角度对竹蜻蜓下降时间的影响
2.实验步骤：
（1）将吸管上方弯曲处剪掉，把塑料吸管剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀约1.5厘米。
（3）用刻刀在打印纸裁取四条长为21cm，宽为2厘米的纸条，纸条对折后分别插入吸管剪开处，再以订书机固定。
（4）将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度分别为30°、20、25°、40°，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也分别为30°、20°、25°、40°。
（5）把四个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度两两放下。
（6）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下降的稳定性和所需时间。为取得相对精确的飘落时间数据，每种纸质竹蜻蜓记录5次，取平均值。
3.实验结果：
实验结果见表6和图7。

4.结果分析：
相同宽度旋翼相同吸管的打印纸竹蜻蜓，旋翼不同角度，在室内无风情况下自由飘落，发现旋翼角度为40°下降时间最短，旋翼角度为20°、25°、30°下降时间普遍较长，尤其是旋翼角度为20°的竹蜻蜓下降时间最长达到12.66秒，平均也达到了10.95秒。究其原因，旋翼如同我们家里的电风扇一样，旋翼和杆子形成一定角度，可以让竹蜻蜓的旋翼借助空气对它产生的浮力，在下降的过程中旋转，减缓下降的速度，20°到30°是一个相对合适的角度，而40°因角度过大，旋翼所受到的浮力反而减小，下降速度变快，下降时间变短。
（六） 实验五、旋翼形状对竹蜻蜓下降时间的影响
1.实验目的：研究旋翼形状对竹蜻蜓下降时间的影响
2.实验步骤：
（1）将吸管上方弯曲处剪掉，把吸管修剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀约1.5厘米。
（3）用刻刀分别在打印纸裁取21cm*2cm的纸条，纸条对折后插入吸管剪开处，再以订书机固定。
（4）然后分别把旋翼两端剪成方形、弧形和三角形。
（5）将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度约为30度，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也约为30度。
（6）把三个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度同时放下。
（7）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下降的稳定性和所需时间。为取得相对精确的飘落时间数据，每种纸质竹蜻蜓记录5次，取平均值。
3.实验结果：
实验结果见表7和图8。
4.结果分析：
旋翼的形状对竹蜻蜓下降时间的影响是比较大的。弧形的旋翼如同电风扇的风叶和直升机的旋翼，上网查阅资料可知，弧形机翼上下两侧空气流速不相同，使空气对机翼产生一个向上的力，所以飘落时候更加稳定，下降时间就变长了。所以弧形这一组竹蜻蜓平均下降时间最久。

（七） 实验六、探究竹蜻蜓最长飘落时间的较优方案
1. 实验目的：
鉴于前面系列实验，尤其实验三旋翼宽度为1.5厘米的竹蜻蜓出现13.22秒的下降时间，实验四旋翼角度为20°的竹蜻蜓平均下降时间为10.95秒，以及实验五中的旋翼为弧形的竹蜻蜓出现了平均下降时间为11.746秒，所以本实验采取弧形机翼，旋翼宽分别为2厘米、1.5厘米，旋翼角度分别为30°、20°的四组纸质竹蜻蜓，探究竹蜻蜓的最长下降时间到底是多少。
2.实验步骤：
（1）将4根吸管上方弯曲处剪掉，各剪取13厘米。
（2）将吸管其中一端先压扁，然后以剪刀从压扁的吸管中间处剪一刀，卡口为1.5厘米。
（3）用刻刀在打印纸裁取两条21cm*2cm和21cm*1.5cm的纸条，纸条对折后分别插入吸管剪开卡口处，再以订书机固定。
（4）取旋翼宽为2厘米和1.5厘米的竹蜻蜓各一个，将吸管朝向自己，上方纸条往自己右边翻折，使之与吸管角度约为30度，再翻面将另一片纸条也往右翻折，角度也约为30度。另外两个竹蜻蜓以同样的方法翻折形成20度的旋翼。
（5）把四个纸质竹蜻蜓放在室内三楼9.05米高度两两松手放下。
（6）用秒表计时，观察记录竹蜻蜓下降的稳定性和所需时间。为取得相对精确的飘落时间数据，每种纸质竹蜻蜓记录5次，取平均值。

3.实验结果：

实验结果见表8和图10。

4.结果分析：
从表8实验结果看出，弧形旋翼的竹蜻蜓下降时间总体上比较久。其中出现旋翼宽为2厘米，角度为20°，重量0.6g的竹蜻蜓下降时间最长。因此，得出旋翼宽为2cm，角度为20度的竹蜻蜓下降的时候更加稳定，时间更长。

三、研究结论

1.旋翼的纸质及重量影响竹蜻蜓的下降时间。由于地球引力的存在，竹蜻蜓自身重量越重，下降时间越短；反之，自身重量越轻，飘落时间越长。同时纸质的光滑软硬程度也影响着竹蜻蜓的下降时间。纸质太软，旋翼无法展开，下降时间就大大地缩短了。
2. 不同材质杆子对竹蜻蜓下降时间的有较大影响。通过实验发现塑料吸管、竹签、纸吸管三种杆子，其中塑料吸管杆子中空且最轻，最适合作为竹蜻蜓的旋杆。同时旋翼和旋杆的比重越接近，竹蜻蜓的平衡性越佳。
3．旋翼角度不同对竹蜻蜓下落时间影响较大，20—30°的旋翼角度区间较适合，竹蜻蜓下落时间都比较长，但是到40度时有比较明显的差异，角度变大，下降时间变快。
4.相同纸质旋翼，不同宽度也会影响竹蜻蜓下落的时间，旋翼太窄的话，空气给它的浮力也小，它下落时间也就短了。
5. 旋翼形状对竹蜻蜓下降时间的影响。弧形旋翼旋转更加顺畅，阻力小，产生浮力更大，稳定性更好，延长竹蜻蜓下降时间。
6.纵观所有实验，对竹蜻蜓飘落时间影响较大的因素是竹蜻蜓的纸质重量、旋杆材质、旋翼宽度、旋翼角度、旋翼形状等。

四、进一步研究

关于这个课题我还想继续研究以下几个问题：
1.我在做竹蜻蜓实验时，一是为了便利，二是为减少外界条件的干扰，较大程度地保证数据准确性，我选择了在室内无风的环境下完成。如果在室外，晴天有风，竹蜻蜓下落的时间是否会更长呢。
2.实验中，研究的都是纸质竹蜻蜓自由下落所用的时间，如果给竹蜻蜓一个动力，让它先上升，再下落，那结果会有什么，但苦于我目前所掌握的科学知识还很有限，还有实验检测的设备、条件也有限，我希望我以后可以再做后续的研究。

五、收获与体会

通过这次实验探究，我收获了许多感悟和启发。这个实验探索了纸质竹蜻蜓下落时间的奥秘，使我了解纸质重量、杆子材质、旋翼宽度、旋翼角度和旋翼角度对竹蜻蜓下落落时间的影响，也懂得了一些空气浮力和重力的关系的知识。在实验中有时因为两只竹蜻蜓的距离没有控制好，导致竹蜻蜓下降时发生碰撞，导致它们他们垂直掉落，影响数据的客观性，我只好重新再来，不断调整，直到获取有用的数据为止。有时纸质竹蜻蜓因为发生意外状况或下落次数多了，旋翼变软了，毕竟它们是纸做的，在下落的过程旋翼因为太软无法张开，直接掉落下来，这样采集的数据难以保证其精确性，我不得不重新制作新的纸质竹蜻蜓。虽然在实验过程中的意外与失败层出不穷，但我始终没有气馁，不断在成功中总结经验，在挫败中吸取教训。
对于这次实验，我觉得不足的是，由于种种条件限制，我还没能做出让自己很满意的纸质竹蜻蜓，我做的纸质竹蜻蜓在许多性能上都还远不如我买的竹蜻蜓玩具。尽管如此，我相信我的实验探究是有意义的，在实验探究的过程中，我遇到困难或疑惑时，往往通过书籍或网络查找资料，请教老师，或是请家长帮忙，通过不懈努力，我也得出一些有一定价值的实验结论。当然，可能更大的意义就是在玩中探究，在探究中实验，在实验思考、摸索、收获。
这次实验更让我感受到了科学领域的无边无际，充满神奇！让我们这些小科学迷们学习科学家认真严谨的科学精神，从我们身边的科学出发，去探索科学世界的无穷奥秘吧！

附录：

部分实验操作图片