粉塵爆炸實驗的創新設計

王發應+鄧明非+周鳳頂+王英

摘要：已有對粉塵爆炸實驗的研究成果，多存在粉塵不連續、濃度不均勻、實驗成功率不高、重復性差的問題。為此，我們通過大量的探索試驗，設計了新的粉塵爆炸試驗裝置。利用玩具風扇對裝置內進行鼓氣，可在裝置中形成連續、均勻的粉塵，點火后可獲得很好的實驗效果。該裝置易加工、制作簡單、成本低廉、容易推廣。

關鍵詞：粉塵爆炸實驗；裝置設計；點火系統；實驗創新

文章編號：1005–6629（2017）2–0059–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 研究背景

現行人教版九年義務教育課程標準實驗教科書《化學》（九年級上冊）第138頁[實驗7-3]粉塵爆炸實驗裝置和實驗方法，以及目前絕大多數教師對該實驗的改進[1～5]中，都是用氣囊或打氣筒對裝置進行鼓氣，用硬紙板密封裝置，點燃的蠟燭引爆。這些實驗方法在裝置中產生的粉塵不連續、濃度不均勻，實驗成功率不高；當爆炸發生時，用來密封的硬紙板亂飛，存在一定的安全隱患；粉塵飛濺，污染實驗環境；這種實驗方法產生的爆炸現象具有一定的偶然性，實驗的重復性差。為此，我們通過大量的試驗，利用玩具小風扇向裝置內進行鼓氣，在裝置中獲得連續、均勻的粉塵；用半固定在塑料筒上口的汽車輪胎橡膠皮來密封裝置，避免了密封蓋亂飛所造成的安全隱患和撿拾的麻煩；在爆炸后，半固定的汽車輪胎橡膠皮又能自動復位，重新封閉塑料筒，簡化了實驗操作；用丁烷打火機或電子打火槍進行點火引爆，并用一漏斗將火焰保護在其中，提高了實驗的成功率。

2 實驗裝置

裝置各部分的功用說明：

橡膠皮：由廢棄的汽車內胎切割而成，用于密封塑料筒。半固定在塑料筒上口，爆炸后能被彈開，又能自動復位而重新密封塑料筒，避免了其被炸飛而造成的安全隱患和撿拾的麻煩。

塑料筒：通過上口的橡膠皮和下口底座進行密封，為粉塵的爆炸創造有限的密閉空間。

塑料漏斗：由塑料飲料瓶的頸部切割而成，固定在底座上。將針管和導線罩在其內，避免點火時風扇產生的風力將火焰吹滅。

底座：用于承載和固定打火機（或電子打火槍）、玩具風扇和塑料筒。

丁烷打火機：作點火的氣源。

固定鐵絲：用于固定塑料筒和底座。

玩具風扇：為塑料筒提供持續穩定的風力，能將堆放在底座上的面粉揚起，在塑料筒內形成連續、均勻的粉塵，從而提高引爆粉塵的成功率。

3 制作材料

長30cm φ10cm左右的硬質塑料筒（糖果瓶、酒盒等）1個，φ15cm左右的塑料糖果瓶蓋1個，丁烷打火機1個，輸液器頭皮針1顆，玩具小風扇1個，260mL圓柱形礦泉水瓶1個，汽車輪胎橡膠皮，502膠水。

4 制作方法

4.1 底座的制作

在φ15cm左右的塑料糖果瓶蓋中央鉆一個與礦泉水瓶蓋外徑大小相當的孔，在礦泉水瓶蓋中央鉆一個小孔，將礦泉水瓶蓋塞入塑料糖果瓶蓋中央的孔中，用膠水粘牢固定（如果孔太大，可在空隙間填少許棉花，再滴入膠水進行粘接，如圖2a所示）；然后截取一個260mL礦泉水瓶頸部（高約5cm），擰緊在礦泉水瓶蓋上即成（如圖2b所示）。

4.2 點火系統的裝配

取出丁烷打火機的壓電器，將兩根細導線的兩端除去絕緣皮后，分別與打火機壓電器上的導線和下端的金屬體相連（如圖3a所示），然后將壓電器裝回打火機原位；將一次性輸液器頭皮針剪去針頭帽，將細塑料管套在打火機的氣門柱上，用少許膠水粘牢密封固定（如圖3b所示）；將壓電器上引出的一根導線破頭去掉絕緣皮后纏在頭皮針金屬針管上，再將頭皮針金屬針管和另一根破頭去掉絕緣皮后的細導線并排著（細導線去掉絕緣皮部分和金屬針管不接觸）插入底座中央的小孔中，調節細導線頭與頭皮針金屬針管出口相距0.5㎝左右，用膠水將兩者與底座粘牢密封固定（如果孔太大，可在空隙間填少許棉花，再滴入膠水進行粘接固定）；在底座邊沿切開一個與氣體打火機罐體大小相當的缺口，將打火機氣罐插入缺口中固定，邊調節打火機氣體閥門邊進行點火試驗，直至能夠正常燃燒并形成2cm高左右的火焰為止（如圖3c所示）。

4.3 硬質塑料筒的加工

取長30cm φ10cm左右的硬質塑料筒，在其一端（下端）切一個2cm×2cm的缺口，另鉆三個間距相等的小孔；再在其另一端（上端）側壁上相距5cm鉆兩個小孔后，放上一塊厚度適中、φ15cm左右彈性好的汽車輪胎橡膠皮，用細鐵絲與小孔連接固定，細鐵絲與塑料筒接觸處用膠水密封（如果孔太大，可在空隙間填少許棉花，再滴入膠水進行粘接）即成（如圖4所示）。

4.4 裝置的組裝及完善

將加工好的硬質塑料筒放在裝好點火系統的底座上（缺口與打火機氣罐錯開成90°左右），再在對應塑料筒邊沿上小孔的位置的底座上各打一個小孔，用細鐵絲將硬質塑料筒和底座連接固定在一起；在底座邊沿上對準硬質塑料筒下端缺口位置切一個缺口，將一個玩具小風扇的扇葉對準硬質塑料筒下端缺口，插入底座邊沿的缺口中，用膠水固定即成（如圖1所示）。

5 使用方法

掀開塑料筒上口的橡膠片，向裝置內加入約20g干燥的面粉，使其平鋪在底座上（漏斗外），打開玩具小風扇電源，只需幾秒鐘，在塑料筒內就會形成濃度均勻、穩定的粉塵，按下氣體打火機打火器（電子打火槍）進行點火，就會產生響亮的爆炸聲和明亮的火光，塑料筒上口的橡膠片即被掀開，隨即又自動彈回封閉塑料筒。

每間隔幾秒鐘，再次按下氣體打火機打火器進行點火，就會重復產生上述現象。

6 創新點

（1）利用低速玩具風扇進行鼓氣，從而使得塑料筒內形成濃度均勻、穩定的粉塵。先吹風后再點火，可避免認為爆炸原因是鼓氣造成，同時也提高了實驗的成功率。

（2）利用低速玩具風扇進行鼓氣，在塑料筒內形成濃度均勻的粉塵的同時，也為塑料筒內提供了充足的空氣，增加了粉塵與空氣的接觸面，為實驗的成功提供了保障。

（3）利用固定在塑料筒口汽車輪胎橡膠皮來密封裝置，避免了原實驗中硬紙板亂飛、粉塵到處飛濺造成的麻煩，使實驗裝置實現了自動封閉的效果，簡化了實驗操作，使爆炸實驗安全可靠地進行。

（4）所有材料均為生活常備物品和廢棄物，且為塑料材質。材料易得，容易加工，制作簡單，成本低廉，容易推廣。

7 實驗說明

爆炸發生前，由于火焰處于漏斗內部，風扇形成的風力對其沒有影響，不會被吹滅。但爆炸發生后，爆炸形成的壓力會將火焰震滅。因此需要重復打火操作，才能實現連續的爆炸現象。

參考文獻：

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