打火機的物理原理及教學(xué)應(yīng)用

朱蕾蕾 熊舉峰

湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南長沙 410000

打火機作為人類生活中的常用工具，其主要用途是取火，同時也可以用于炊事及其他。以前的打火機基本上都是火石鋼輪式的，用鋼輪和火石摩擦產(chǎn)生火花引燃?xì)怏w，隨著科技的發(fā)展，落后的火石鋼輪打火機已經(jīng)被淘汰了，現(xiàn)在基本上是壓電式、磁感應(yīng)式、電池式，其中，又以壓電式最為普及，本文主要介紹壓電式打火機所蘊含的物理原理[1]。壓電式就是咱們平時用的帶有一個小“電打火”的打火機，按一下就能出火，打火機經(jīng)常用，那么火是怎么點燃的呢？

1 打火機的結(jié)構(gòu)及點火過程

圖1是市面上常見壓電打火機拆解后的示意圖，一個普通的打火機包括塑料外殼(燃料載體)、防風(fēng)帽(保護火焰和出火裝置)、按手(控制火焰產(chǎn)生和熄滅)、杠桿(帶動噴氣嘴放氣)、壓電陶瓷打火器(導(dǎo)出電火花與燃料結(jié)合)、調(diào)火環(huán)(調(diào)節(jié)火焰大小及出氣量)、噴氣嘴(防止漏氣，配合調(diào)火環(huán)調(diào)節(jié)火焰高低)、無紡布海綿(調(diào)節(jié)火焰穩(wěn)定)、引流芯(引出燃料)。打火機的核心是壓電陶瓷打火器，它可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，按下打火機按鈕時，打火機內(nèi)部的蓄力彈簧開始蓄力，按壓到一定程度，塑料上殼的斜切面，就會把扣擊錘頭的纖維桿從卡槽內(nèi)推出，這時候蓄力彈簧推動叩擊錘頭，撞向下方的壓電陶瓷，壓電陶瓷被撞擊壓縮后出現(xiàn)放電現(xiàn)象，被釋放的電通過高壓導(dǎo)線被傳到噴氣嘴附近，高壓導(dǎo)線和金屬的噴氣嘴構(gòu)成正負(fù)極，產(chǎn)生電弧，與此同時，噴氣嘴會被杠桿拉起產(chǎn)生丁烷，丁烷吸收空氣中的熱量后，會迅速汽化，遇到電弧，就會將電弧點燃。

2 打火機蘊含的物理原理

2.1 壓電效應(yīng)

打火機的原理主要利用了壓電效應(yīng)，打火機內(nèi)部有壓電陶瓷元件，這個元件一端接上導(dǎo)線，引出到打火機的出氣口。在外界電場作用下，壓電陶瓷內(nèi)部的電荷中心發(fā)生相對位移極化。壓電陶瓷的內(nèi)部表面會出現(xiàn)符號相反的正負(fù)束縛電荷，外表面出現(xiàn)極性相反的自由電荷，如圖2，壓電材料受到擠壓出現(xiàn)電荷極化。受到外力作用時，自由電荷被內(nèi)部束縛電荷排斥走，這也就導(dǎo)致壓電陶瓷向外放電(外界按壓的機械能轉(zhuǎn)換為電能)，按下的瞬間機械結(jié)構(gòu)帶動了打火機的儲氣閥門開啟，壓電陶瓷放出約3000V以上高壓電擊穿空氣產(chǎn)生火花，丁烷氣體遇到火花而點燃。

壓電陶瓷本身是沒有電的，但是當(dāng)外力擠壓作用下，壓電陶瓷發(fā)生了形變，如圖3所示，它的內(nèi)部兩側(cè)就會出現(xiàn)正負(fù)電荷，表現(xiàn)出有電的狀態(tài)，這時按壓力產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能。這被稱之為正壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)與正壓電效應(yīng)相反。如圖4所示，給壓電陶瓷增加一個外電場，這個時候壓電元件就會產(chǎn)生形變。如果通入的是高頻交流電，元件就會出現(xiàn)反復(fù)的形變，也就是振動。這就是逆壓電效應(yīng)，這是電能轉(zhuǎn)化為了機械能。

打火機的電子器打人發(fā)麻，這是什么原理呢？打火機壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓在3000V以上，而且這種高壓可以將2mm左右的空氣擊穿。打火機利用金屬線頭以及氣孔噴嘴，瞬間將打火機內(nèi)的丁烷氣體燃燒。此外，壓電感應(yīng)所產(chǎn)生的電流僅僅只有0.01秒，極為短暫的傷害不會對人體造成較大痛處。因此，打火器給人的是觸電發(fā)麻的感覺，并沒有太大痛苦。

2.2 彈簧彈力

如圖5所示，打火機的擊錘兩端都有彈簧，向下壓壓柄，給彈簧施加壓力就會壓縮彈簧，彈簧通常在受力情況下，以產(chǎn)生較大形變，將儲存的機械動能轉(zhuǎn)換成為彈性勢能，從而彈簧在恢復(fù)原狀時，能夠很好地將彈性勢能變?yōu)閯幽?。通過擊錘裝置打到壓電陶瓷上，就會放電產(chǎn)生火花。這種彈簧屬于壓縮彈簧，其能承受軸向壓力的螺旋彈簧，采用的材料也為圓形，矩形以及多股鋼索卷制而成。彈簧為等節(jié)距，其形狀也大多為圓柱形或者是圓錐形，少量彈簧是非圓形，壓縮彈簧圈之間必然存在一定間隙，當(dāng)其受到外荷載壓力時，就會將動能儲存為勢能，轉(zhuǎn)而變成強有力的動能。

2.3 杠桿

如圖6所示，用手壓迫按鍵后，通過杠桿作用將手的壓力轉(zhuǎn)換為沖力作用在壓電陶瓷上，同時帶動噴氣嘴噴出燃料。如圖所示，O是支點，動力F1是手按壓壓柄的力，阻力F2是噴氣嘴對杠桿的支持力，支點O到動力F1作用線的距離為動力臂L1，支點O到阻力F2作用線的距離為阻力臂L2，可以看出動力臂小于阻力臂，因此打火機中的杠桿屬于費力杠桿。

2.4 壓強

如圖7所示，打火機外部塑料按手的表面積與電子打火器的壓柄的表面積相比要大2倍，根據(jù)壓強公式P=F/S，增大表面積可以減小壓強，人在使用打火機時會更加舒適。

2.5 物態(tài)變化

氣體打火機利用體積壓縮將丁烷氣體變成液體，以便儲存。打火機內(nèi)壓強大于外界大氣壓，當(dāng)閥門松動時，丁烷液體能夠急速達(dá)到汽化狀態(tài)。物體在形態(tài)變化過程中，將吸收大量的熱，導(dǎo)致外殼溫度降低，因此噴氣嘴會凝華形成小冰晶。

打火機如圖8所示，是打火機中丁烷迅速氣化，周圍空氣在噴氣嘴附近形成的冰霜。

3 打火機在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 利用打火機設(shè)計演示實驗作為課堂引入

物理教學(xué)過程中，演示實驗是新課導(dǎo)入最直接的方式之一。另外，實驗還具備生動、直觀以及新奇的特點，能夠激發(fā)學(xué)生的直覺興趣。此外，教師在進行科學(xué)活動探究時，應(yīng)充分發(fā)揮出實驗的趣味性、奇異性以及多邊性，為教學(xué)課堂創(chuàng)造生動情境，活躍學(xué)生的思維。最后，演示實驗的主要目的還是用以配合教學(xué)，教師應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的實驗方法，如學(xué)生觀察實驗或者是動手操作實驗等，以便讓學(xué)生在實驗中總結(jié)出事物的規(guī)律，從而更能理解書本里的物理概念。例如，在講授初二物理第三章物態(tài)變化時，利用打火機內(nèi)的丁烷迅速汽化的現(xiàn)象；在第七章第二節(jié)，利用打火機讓學(xué)生體會彈簧彈力的大小和方向；在十二章杠桿知識點，讓學(xué)生體會杠桿在生活中的利用等。巧用演示實驗，讓物理概念不再枯燥無味，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。

演示實驗設(shè)計舉例。

實驗器材：一個打火機。

實驗步驟：(1)把打火機的金屬殼去掉，調(diào)節(jié)噴嘴處的小齒輪，把打火機的噴氣量盡量調(diào)到最大，防止著火。

(2)壓下打火機的壓板，片刻后就可以觀察到打火機內(nèi)部的液體消失，同時能聞到一股輕微的刺激性氣味。

原理解釋：打火機內(nèi)的氣壓大于外界氣壓，當(dāng)壓下打火機壓板時，打火機內(nèi)的氣壓降低，打火機內(nèi)的液體燃料發(fā)生汽化現(xiàn)象，從而消失。又因為打火機內(nèi)液體燃料主要成分為正丁烷，其有輕微刺激性氣味。

3.2 作為命題素材，命制試題

命題時，我們應(yīng)該注重命題的教育功能，加強與社會、生產(chǎn)、生活的聯(lián)系，注重滲透科學(xué)精神與人文精神。命題要彰顯學(xué)科理念，體現(xiàn)學(xué)科價值。打火機作為日常生活中常見的工具，以打火機為素材命題能加強與學(xué)生生活實際的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識生活，讓學(xué)生感受到物理知識在生活中的存在價值，引導(dǎo)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)物理，用細(xì)心觀察到生活中容易被忽視的物理現(xiàn)象，增強學(xué)生對物理學(xué)科的親切感[3]。

命題舉例：生活中常見的打火機，通?？梢钥匆娎锩娲嬗幸后w。小明有一天在玩打火機時，發(fā)現(xiàn)閥門松動了。沒過多久，小明發(fā)現(xiàn)打火機里的液體消失了，但是放置打火機周圍并沒有發(fā)現(xiàn)液體，而且閥門周圍還凝結(jié)了一層白色的物質(zhì)，用手觸摸打火機會感受到冰涼的感覺，請大家試著用“物態(tài)變化”相關(guān)知識解釋該種現(xiàn)象。

結(jié)語

“從生活中來”，知識才有意義；“到生活中去”，知識才有價值。在教學(xué)中注重聯(lián)系生活，通過觀察生活中的物理現(xiàn)象，設(shè)計演示實驗或者是學(xué)生自主動手操作實驗，同時也可以鼓勵學(xué)生進行科技小制作、社會實踐或是活動交流等，拉近學(xué)生認(rèn)知中的物理與生活的距離，使學(xué)生深切感受到科學(xué)存在的真實性，促使學(xué)生平日多留心觀察身邊的所見所聞，并能夠大膽嘗試使用物理知識對其加以解釋，自覺地在實踐中運用物理原理，真正做到“從生活走向物理，從物理走向社會”。