舞臺(tái)干冰造霧成因探討

張前軍　史以利

摘? ?要：在“升華和凝華”教學(xué)中，經(jīng)常出現(xiàn)使用干冰模擬舞臺(tái)干冰機(jī)造霧實(shí)驗(yàn)，給出的解釋通常是：干冰升華產(chǎn)生的較冷二氧化碳?xì)怏w使空氣中的水蒸氣液化，液化后小液滴形成了白霧。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出干冰造霧的不同成因：干冰在水中吸熱急劇升華，產(chǎn)生大量的高速二氧化碳?xì)怏w使水霧化，霧化后的小液滴隨二氧化碳?xì)馀萆仙剿嫫屏押蟊会尫?，從而在水面上方形成白霧。

關(guān)鍵詞：干冰;造霧;成因探討

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）8-0051-2

在“升華和凝華”教學(xué)中，時(shí)?？吹浇處熓褂酶杀M舞臺(tái)干冰機(jī)造霧，將少量干冰放入水中，水面上立即產(chǎn)生大量白霧。對(duì)此現(xiàn)象給出的解釋通常是：干冰升華，產(chǎn)生較冷的二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳?xì)怏w在水面上方使空氣中的水蒸氣遇冷液化，形成了白霧。不難看出，這種解釋深受教材中“舞臺(tái)上經(jīng)常用干冰制造白霧”解釋的影響，教學(xué)參考書給出的解釋是：舞臺(tái)上噴撒的干冰，升華時(shí)需要從周圍的空氣中吸收大量的熱量，從而使空氣中的水蒸氣遇冷液化成小液滴，這些小液滴漂浮在空氣中就形成了我們看到的所謂的白霧[1]。

對(duì)比教學(xué)實(shí)際和教參解釋，可以看出教學(xué)中將干冰放入水中形成白霧，認(rèn)為水的作用有兩個(gè)：一是作為熱源加快干冰升華;二是水通過(guò)蒸發(fā)為形成白霧提供較多的水蒸氣。事實(shí)真的如此嗎？

1? ? 教學(xué)干冰造霧探秘

如圖1所示，將干冰放在水面上方空氣中，可以看到有少量的白霧形成，這些白霧與將干冰放入水中形成的白霧量相比，基本上可以忽略不計(jì)。

如圖2所示，如將干冰放入水中，吹開水面白霧，可以看到氣泡在上升到水面前已經(jīng)是奶白色;再將干冰放入水和油中進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以看到右側(cè)油面上沒(méi)有白霧。這也就是說(shuō)：在二氧化碳?xì)馀莸竭_(dá)水面之前，其內(nèi)部已經(jīng)形成了大量白霧，而不是二氧化碳?xì)馀莸竭_(dá)水面后使空氣中的水蒸氣液化形成了白霧。究其成因，是干冰升華釋放出的二氧化碳高速氣體使周圍的水劇烈霧化，霧化后的小液滴隨二氧化碳?xì)馀萆仙剿?。?duì)此，有的老師認(rèn)為，在二氧化碳?xì)馀輧?nèi)發(fā)生了水吸熱汽化形成水蒸氣，產(chǎn)生的水蒸氣又液化放熱形成小液滴，從而在二氧化碳?xì)馀輧?nèi)部就有了白霧。顯然，在一個(gè)較冷的二氧化碳?xì)馀輧?nèi)，水同時(shí)發(fā)生吸熱和放熱是個(gè)悖論。在教學(xué)中，我們也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：將干冰放入玻璃容器中（如試管），會(huì)聽(tīng)到嗞鳴聲，那是干冰升華放出的二氧化碳?xì)怏w速度較大，干冰因反沖作用受力不平衡，會(huì)不停撞擊容器發(fā)出聲音，經(jīng)過(guò)容器空腔放大而產(chǎn)生明顯的嗞鳴聲，這從側(cè)面說(shuō)明了干冰升華放出二氧化碳速度較大足以使水霧化。

將大量干冰放入水中，初始階段還是能夠產(chǎn)生大量白霧，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，從側(cè)面可以看到水中的氣泡是透明的，底部的干冰已經(jīng)被冰塊包裹著，如圖3所示，沒(méi)有再出現(xiàn)少量干冰實(shí)驗(yàn)中的大量奶白色氣泡，水面上方也比較清晰，沒(méi)有白霧存在;究其原因，較多干冰制冷效果好，能夠使周圍的水凝固成小冰層，干冰升華放出的二氧化碳高速氣流不再能夠使其霧化，從而形成透明的二氧化碳?xì)馀?。?dāng)干冰全部被冰包裹時(shí)，冰層上只有幾個(gè)氣孔在冒氣泡。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也能從側(cè)面也說(shuō)明干冰造霧的成因是：干冰升華產(chǎn)生的二氧化碳使水霧化。

2? ? 舞臺(tái)干冰造霧操作

舞臺(tái)干冰造霧時(shí)要先打開干冰機(jī)的頂蓋，然后向里面加入一定量的水，并設(shè)定一定的溫度，待水溫達(dá)到設(shè)定的溫度后，干冰機(jī)會(huì)停止加熱;打開干冰機(jī)的頂蓋，加入顆粒狀干冰;打開風(fēng)扇，這時(shí)干冰機(jī)里會(huì)噴出大量的白霧，形成美妙的仙境。在此過(guò)程中，干冰機(jī)里的水溫會(huì)下降，需要不斷加熱使水溫保持在設(shè)定的溫度，穩(wěn)定干冰機(jī)的造霧效果。

如果將干冰直接撒到舞臺(tái)上造霧，一方面要消耗大量干冰才能達(dá)到使用小量干冰放入水中的效果，性價(jià)比較低;另一方面，舞臺(tái)上的干冰容易濺到演員身上，形成-78 ℃的低溫凍傷演員，直接使用干冰造霧很不安全。例如，2012年11月18日寧波一小學(xué)校慶，使用干冰造霧操作錯(cuò)誤，部分干冰濺到表演的學(xué)生身上造成凍傷。

從性價(jià)比和安全性角度看，關(guān)于舞臺(tái)干冰造霧教學(xué)參考書給出“在舞臺(tái)上噴撒干冰” 的解釋是不實(shí)際的，后續(xù)的白霧成因解釋也就不存在了。

3? ? 干冰造霧教學(xué)建議

鑒于以上分析，筆者建議在教材編寫中去掉舞臺(tái)干冰造霧內(nèi)容，一方面內(nèi)容解釋與實(shí)際不符合;另一方面現(xiàn)代舞臺(tái)造霧已經(jīng)不再使用干冰，而是使用煙油，其經(jīng)濟(jì)性和安全性比使用干冰造霧好的多。

雖然干冰造霧能夠帶來(lái)驚奇的教學(xué)氛圍，但其成因與本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注的升華現(xiàn)象與吸熱條件相關(guān)性不大，可以直接放棄此實(shí)驗(yàn)，更不能曲解此干冰造霧的成因。

（鳴謝：南京市致遠(yuǎn)初級(jí)中學(xué)周偉老師提供圖片2）

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇科版物理教材編寫組.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)上冊(cè)教師教學(xué)用書[M].南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

（欄目編輯? ? 王柏廬）