探究火焰在帶電金屬板間跳躍的原因

季　潔，劉　文，張錫娟

(揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225000)

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探究火焰在帶電金屬板間跳躍的原因

季潔，劉文，張錫娟

(揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225000)

以IYPT競賽題中的“跳躍的火焰”為例，針對中學生的物理知識背景，分析了將該類賽題作為實驗探究課題的可行性，給出了具體分析探究課題的方法，同時，結合例題示范了如何引導中學生在課題探究中發現問題并具體解決問題.

實驗探究；指導方法；IYPT

國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicist’s Tournament, IYPT)是一個高層次的物理競賽，每年的賽題都是完全開放的，其開放性不僅在于沒有特定的答案，需要學生們利用與問題相關的、不同領域的物理知識自主設計實驗方案，還在于這些題目除了物理學者們以外，中學生、本科生都可以進行探究，只是探究的深度會有所不同. 因此，筆者考慮將這些題目引入到中學物理教育開展探究性課題學習. 本文以2011年IYPT的賽題“跳躍的火焰”為課題，進行了實驗設計與探究，并給出了該課題在中學進行探究的一些建議.

1　題目解讀

“跳躍的火焰”選自第24屆IYPT競賽試題第3題，題目要求：“把火焰(比如本生燈發出的火焰)放在2個平行帶電的金屬板間，研究火焰的運動情況. ”根據題目給出的信息，“火焰”和“平行帶電金屬板”是本實驗的關鍵，教師在指導學生探究時要圍繞這2個關鍵引導學生進行思考.

1)“平行帶電金屬板”給出的暗示

學生在學習過靜電場知識后，應該會對“平行帶電金屬板”有一定的認知. 教師可以幫助學生回憶相關知識，引導學生得出這樣的結論：“平行帶電金屬板間能夠產生勻強電場，而火焰的跳躍可能是這個電場引起的. ”為此，學生自然會進一步思考“為什么火焰會受電場的影響？火焰是什么？”

2)火焰是什么？

關于火焰是什么有很多種說法，但普遍承認的是“火焰是能夠加熱空氣并使之電離的電離劑”和“火焰是等離子體”這2種說法. 教師可以在課題探究前對該問題進行簡單說明，在學生對空氣電離、電離劑和等離子體有初步認識后，讓學生根據“火焰受電場影響”這個結論，通過查閱資料，總結出自己對火焰的界定. 通過這個環節既可以為接下來的實驗做理論鋪墊，也可以由此拓展學生的知識面.

2　設計實驗與探究

2.1影響因素分析

不同種類的火焰和金屬板間產生的不同的電場強度都可能會影響火焰的跳躍. 在這個環節中，教師要引導學生分析出可能影響以上2個條件的主要因素. 針對火焰的種類，教師應提示學生靈活運用化學、熱學等知識，分析其影響因素. 實際上燃燒材料不同，燃燒火焰不同，甚至相同材料的燃燒火焰都是不同的，而中學實驗室條件有限，只要求學生用同一根蠟燭進行實驗即可. 與電場相關的內容，需要學生結合靜電場及平板電容器等知識，經分析大致可以猜測火焰在金屬板間的跳躍與金屬板的材質、金屬板間所加電壓以及火焰距金屬板的距離有關.

2.2實驗設計

盡管中學物理實驗中大多都提及“控制變量法”，但學生可能并未完全掌握，因此實驗的初步設計可由學生完成，讓他們在設計實驗的過程中掌握控制變量法. 教師結合可行性和科學性對實驗設計進行指導與完善. 根據學生對實驗影響因素的分析，可選取以下實驗儀器：材質分別為鐵、黃銅和鋁的3組直徑R=20 cm、厚度D=1 mm的平行金屬板,直流穩壓電源(最大值30 V)，行輸出變壓器(高壓包)，電壓表(量程100 kV). 利用以上儀器進行如下實驗探究：

1)在板間距離及金屬板材質不變的情況下，改變兩極板間所施電壓；

2)在板間電壓及金屬板材質不變的情況下，改變兩極板間的距離；

3)在板間距離及板間電壓不變的情況下，改變金屬板的材質.

2.3實驗數據的測量

實驗中容易觀察到：火焰在電場中發生偏轉并在偏轉角達到最大值后穩定. 偏轉角的大小與以下2個因素有關：

1)金屬板間所加電壓越大，偏轉角越大；

2)金屬板間距離越小，偏轉角越大.

在仔細觀察實驗現象的基礎上，對該實驗進行深入探究. 此時需要教師和學生共同討論并設計出測量火焰偏轉角的方法. 本實驗通過錄制視頻并從中截取當火焰偏轉并穩定時的畫面，對畫面中的火焰進行測量，方法如圖1所示.

圖1　火焰偏轉角的測量

3　結果分析

3.1對火焰是什么的分析

針對實驗中觀察到的現象，教師可設置系列問題，逐步引導學生得出結論.

問題1：為什么火焰會在電場中偏轉？

這個問題要求學生首先了解：火焰的化學反應將產生足夠的熱量使溫度達到使空氣分子電離的條件. 電離：空氣?正離子⊕+自由電子e-.

問題2：為什么火焰總是偏向電勢較低的金屬板？

需要注意的是，火焰電離成正離子和電子后，正負粒子的總量相等，但由于電子的質量遠遠小于正離子質量，電子將獲得較大的動能，更容易脫離蠟燭火焰，由于火焰失去自由電子，火焰中正離子的濃度比自由電子的濃度大，火焰表現出帶正電的屬性，火焰應該偏向電勢較低的金屬板[1].

通過設置類似問題，能讓學生更有邏輯地分析實驗原理，了解關于空氣電離條件方面的知識.

3.2對火焰受力分析

由于火焰形狀不規則且具有流動性，中學生對其進行受力分析難度較大. 如果學生有興趣并且還有余力，可以給學生補充有關導數與積分、動量定理、建模、運動微分方程等知識，但補充的知識不能超出學生所接受范圍過多，應在中學重難點知識的基礎上稍加進階.

3.3火焰的跳躍

實驗中發現：板間距離固定時，隨著外加電壓的增加，蠟燭火焰開始發生偏轉，而當電壓增加至某一值時，火焰會開始做振蕩運動. 這是實驗中值得思考的問題. 結合電風吹滅蠟燭火焰的實驗[2]，我們猜想：

1)由于金屬板并非絕對光滑，當外加電壓足夠時，表面的突起會造成尖端放電，電風會吹動蠟燭左右晃動.

2)由實驗可知板間距離一定時，電壓越大，蠟燭火焰偏轉角越大. 當火焰偏轉到與金屬板接觸時，會放電，火焰失去電性不再偏轉. 重復這樣的過程便會引起火焰振蕩運動.

基于這樣2種或者學生提出的其他合理猜想，學生可以進行新一輪的實驗探究.

4　結束語

教師在指導學生進行探究性課題學習時，角色更加復雜，當學生分析困難時，是引導學生向合理的方向進行假設猜想的引路人；當學生的知識不夠用時，是傳授學生適當補充知識的教師；當學生進行實驗時，也是指導學生正確使用儀器的實驗員. 只有教師更好地融合這些角色后，才能更好地指導學生進行課題探究. 在中學物理教育中可以適當選用類似的探究課題，通過親身經歷這樣的探究過程可以增強物理實驗教學的趣味性，促進學生從不同角度看問題，提高學生實驗設計的創造性.

[1]劉貴興. 蠟燭火焰的靜電實驗[J]. 物理實驗,1996,16(3):142-143.

[2]任連香，楚雪梅. 關于電風滅焰原理討論[J]. 黑龍江大學(自然科學報)，1996,13(3)：69-72.

[責任編輯：尹冬梅]

Why flame jumps between metal plates

JI Jie， LIU Wen， ZHANG Xi-juan

(School of Physics and Technology， Yangzhou University， Yangzhou 225000, China)

“Bouncing flame”, which is one of the problems for IYPT, was discussed in this paper. In view of the physical knowledge of middle school students, the feasibility of taking this kind of problems as experimental research subject was analyzed, and specific methods to analyze the project were presented. With examples, the ways that guided middle school students to find and solve problems were demonstrated.

experimental research; instructional method; IYPT

2016-05-07

中國教育學會物理教學專業委員會立項課題(No.YZUJX2013-2A);揚州大學教學重點課題(No.YZUJX2013-2A)

季潔(1992-)，女，江蘇太倉人，揚州大學物理科學與技術學院2015級碩士研究生，研究方向為物理學科教學.

指導教師：張錫娟(1958-)，女，江蘇揚州人，揚州大學物理科學與技術學院教授，學士，從事物理學科教學工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)09-0044-03