空氣壓縮引火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

顏 沸，莫 濱

(1．蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇 南京 210041；2．南京市第十八中學(xué)，江蘇 南京 210022)

基礎(chǔ)教育

空氣壓縮引火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

顏 沸1，莫 濱2

(1．蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇 南京 210041；2．南京市第十八中學(xué)，江蘇 南京 210022)

針對(duì)空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)硝化棉不著火、燃燒時(shí)間短等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了利用溫變油墨代替硝化棉演示對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.

空氣壓縮引火儀；溫變油墨；內(nèi)能；硝化棉

在初中物理教學(xué)中，學(xué)習(xí)做功改變物體內(nèi)能時(shí)，都會(huì)使用“空氣壓縮引火儀”進(jìn)行演示. 傳統(tǒng)的操作方法采用硝化棉，實(shí)驗(yàn)成功的要領(lǐng)在于迅速壓下活塞. 如果實(shí)驗(yàn)成功，可以看到硝化棉燃燒，這一現(xiàn)象給予學(xué)生強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊. 遺憾的是，并非所有教師都能夠完美演示，效果欠佳，甚至演示失敗的概率很大.

1 影響實(shí)驗(yàn)效果的原因分析

該實(shí)驗(yàn)演示中，未能達(dá)成預(yù)期效果的原因是多方面的，有教師方面的原因，有學(xué)生方面的原因，還有器材方面的原因.

1)硝化棉燃燒這一現(xiàn)象瞬間發(fā)生，時(shí)間很短，稍縱即逝，如學(xué)生稍一走神就會(huì)錯(cuò)過(guò)燃燒的瞬間，無(wú)論教師的演示實(shí)驗(yàn)多么成功，每次都會(huì)有學(xué)生錯(cuò)過(guò). 由于硝化棉的燃燒不可逆，教師要想重復(fù)演示，必須用長(zhǎng)鉤將硝化棉殘留物取出后再放入新的硝化棉，并且重新充入新鮮空氣，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng).

2)該實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求較高，條件苛刻，實(shí)驗(yàn)成功與否和多方面因素有關(guān)：首先，硝化棉要干燥，濕度過(guò)大，實(shí)驗(yàn)很難成功；其次，放入管中的硝化棉應(yīng)拉成絲狀，盡可能地增加其表面積，放入的硝化棉過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果；最后，實(shí)驗(yàn)要求教師用力快速壓下活塞. 在實(shí)際演示中，力氣大的男教師都會(huì)覺(jué)得手很疼，很多女教師在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常會(huì)由于壓下活塞的力度不夠，而出現(xiàn)硝化棉不著火的現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，無(wú)法達(dá)成實(shí)驗(yàn)預(yù)期，影響課堂教學(xué)效果. 當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中硝化棉消耗完之后，可以采用普通棉花代替，但是實(shí)驗(yàn)難度也隨之進(jìn)一步增大.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

壓下活塞后，筒內(nèi)空氣溫度升高，只要有現(xiàn)象能夠證明溫度升高即可，不必強(qiáng)求空氣的溫度達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn)，故采用溫變油墨代替硝化棉.

2.1 溫變油墨

溫變油墨又稱熱變色油墨、熱敏油墨或示溫油墨. 溫變油墨分為3類：

1)常溫下顯示某種特定顏色，經(jīng)加溫后顏色消失變?yōu)闊o(wú)色，冷卻后立即恢復(fù)到原有顏色，因其變化過(guò)程可逆，稱為“可逆溫變消色油墨”.

2)在常溫下顯示無(wú)色，經(jīng)加溫后變?yōu)榱硗庖环N顏色，冷卻后又恢復(fù)為原來(lái)的無(wú)色，變化過(guò)程可逆，稱為“可逆溫變發(fā)色油墨”.

3)油墨在常溫下呈現(xiàn)某種顏色，加溫后變?yōu)榱硗庖环N顏色，變化過(guò)程可逆，稱為“可逆溫變轉(zhuǎn)色油墨”.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

使用可逆溫度消色油墨代替硝化棉完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果很好. 具體步驟如下：

1)溫變油墨的選擇. 溫變油墨的穩(wěn)定性、變色溫度的高低、變色的快慢和靈敏程度都直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)效果的好壞，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用變色溫度為33～35 ℃、變色時(shí)間在3 s以內(nèi)的藍(lán)色或紅色可逆溫變油墨實(shí)驗(yàn)效果較好.

2)選擇表面粗糙的有色硬紙板. 由于硬紙板表面粗糙，溫變油墨能夠較好地附著其上，待油墨干透后，再次涂抹，這時(shí)溫變油墨就能覆蓋住硬紙板原來(lái)的顏色.

3)待覆蓋溫變油墨的硬紙板完全干燥后，剪下1.5 cm×2 cm的小硬紙片，將小硬紙片對(duì)折后豎放在空氣壓縮引火儀的筒內(nèi)底部(豎放便于學(xué)生觀察). 慢慢壓下活塞，可以看見(jiàn)溫變油墨的顏色慢慢褪去，露出小硬紙塊本來(lái)的顏色.

2.3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)

使用溫變油墨代替硝化棉來(lái)完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn)，有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì).

1)相對(duì)于硝化棉著火這一瞬間現(xiàn)象，藍(lán)色溫變油墨的變色過(guò)程是可以緩慢進(jìn)行的，且隨時(shí)可以暫停，亦即是可控的，利于教師提問(wèn)，亦可提供足夠的時(shí)間供學(xué)生觀察、思考、回答.

2)相對(duì)于硝化棉燃燒的不可逆，藍(lán)色溫變油墨的變色過(guò)程可以反復(fù)演示：壓入活塞，藍(lán)色溫變油墨變?yōu)闊o(wú)色，顯示出紙片原有的橙色底色；拉開(kāi)活塞，無(wú)色溫變油墨恢復(fù)為藍(lán)色，如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，節(jié)約了課堂時(shí)間，提高了教學(xué)效率.

圖1 活塞壓下前后紙片顏色對(duì)比圖

3)實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求低，實(shí)驗(yàn)成功率高. 首先，密閉在筒內(nèi)的溫變油墨很難受到外界溫度及濕度的影響，實(shí)驗(yàn)很容易成功. 其次，由于不需要將活塞快速壓到底部，只需要緩慢地將活塞壓下一小段距離，即可觀察到變色現(xiàn)象，力氣小的教師也很容易做到. 由于緩慢壓下，不容易造成器材損壞，也不容易造成人身傷害，課后可以放心大膽讓感興趣的學(xué)生嘗試操作，利于提升學(xué)習(xí)興趣.

4)實(shí)驗(yàn)效果明顯，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的說(shuō)服力，同時(shí)由于不需要較高的思維能力，也有利于學(xué)生對(duì)原理的理解，提高課堂教學(xué)的效率.

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的拓展

在講述“物體對(duì)外做功，物體內(nèi)能減小”時(shí)，能夠列舉的實(shí)例特別少，有說(shuō)服力的演示實(shí)驗(yàn)則更少. 由于物體內(nèi)能無(wú)法測(cè)量，所以判斷物體內(nèi)能是否減小，就只能借助其他現(xiàn)象來(lái)推斷，當(dāng)然，最易于理解的推斷理由是測(cè)得物體的溫度降低. 但是這一類現(xiàn)象中的做功，大多是在瞬間完成的，普通的測(cè)溫設(shè)備無(wú)法反映出短時(shí)間內(nèi)的溫度變化.

在這方面實(shí)驗(yàn)中，目前較為理想的實(shí)驗(yàn)是“擰空礦泉水瓶實(shí)驗(yàn)”. 瓶蓋迸出，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，氣體內(nèi)能減少，溫度降低，瓶?jī)?nèi)的水蒸氣降溫液化，出現(xiàn)白霧. 但是演示此實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的教師由于專注于瓶蓋迸出，而忽略因降溫液化而出現(xiàn)的白霧[1]. 若需要分析“白霧”現(xiàn)象，首先通過(guò)物態(tài)變化思考吸放熱情況，進(jìn)而分析溫度變化，最后推斷出內(nèi)能變化，需要較高的思維能力. 由于上述分析較復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生將實(shí)驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)偏離“做功”. 而采用溫變油墨，可以直接知道溫度變化，易于學(xué)生理解.

選用覆蓋變色溫度為28 ℃的溫變油墨的紙片，剪下5 cm×2 cm的紙片，將它貼在2.5 L無(wú)色可樂(lè)瓶的內(nèi)壁. 發(fā)現(xiàn)小硬紙片上原本的藍(lán)色的溫變油墨變?yōu)闊o(wú)色，顯示出原來(lái)的底色，這是由于可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度高于28 ℃的緣故，慢慢往可樂(lè)瓶?jī)?nèi)打氣至約0.2 kg/cm2的氣壓，快速放氣，發(fā)現(xiàn)小硬紙片上的溫變油墨恢復(fù)成藍(lán)色，表明瓶?jī)?nèi)空氣溫度降低了，如圖2所示. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了“物體對(duì)外做功，內(nèi)能減小.”

圖2 可樂(lè)瓶充放氣時(shí)紙片顏色對(duì)比圖

注意事項(xiàng)：

1)做實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度大約在26 ℃，而可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度為30 ℃. 如果可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度低于28 ℃，小硬紙片放入可樂(lè)瓶后，溫變油墨成藍(lán)色，可以將可樂(lè)瓶貼有小硬紙片的一側(cè)浸在30 ℃的溫水中使其變?yōu)闊o(wú)色后再放氣.

2)如圖3所示，為了向可樂(lè)瓶?jī)?nèi)充氣，可以將車胎的氣門(mén)樁連同周圍部分車胎膠皮一起剪下，瓶蓋上打一圓孔，孔的邊緣應(yīng)光滑，使氣門(mén)樁恰好可以從瓶蓋內(nèi)側(cè)卡入，孔邊緣不必密封，充氣后，氣門(mén)樁邊的膠皮緊壓在瓶蓋上，不會(huì)漏氣. 向可樂(lè)瓶?jī)?nèi)打氣時(shí)不能打得太多，確保實(shí)驗(yàn)安全.

圖3 可樂(lè)瓶密封裝置制作圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用溫變油墨代替硝化棉，來(lái)完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn)，克服了空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn)的弊端，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果顯著. 而且，溫變油墨在中學(xué)物理很多演示實(shí)驗(yàn)中，都可以深入地挖掘.

[1] 莫濱.機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤分析及改進(jìn)[J]. 物理教師，2016，37(7)：45-46.

Improvingtheexperimentofair-compressionigniter

YAN Fei1， MO Bin2

(1． Lotus Experimental School， Nanjing 210041, China；2． No.18 Middle School of Nanjing, Nanjing 210022, China)

Aiming at the problems, such as no ignition of the nitro-cotton, short burning time, the air-compression ignition experiment was improved. In the improved experiment, the temperature sensitive ink was used to replace the nitro-cotton to demonstrate the phenomena that doing work can increase the inner energy of the air. The effect was obvious.

air compression igniter; temperature sensitive ink; inner energy; nitro-cotton

G663.7

B

1005-4642(2017)11-0056-03

2017-06-16

南京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度課題(No.L/2015/038)

顏 沸(1977-)，男，江蘇南京人，南京市蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校高級(jí)教師，碩士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]