空氣壓縮引火實驗的改進

顏 沸，莫 濱

(1．蓮花實驗學校，江蘇 南京 210041；2．南京市第十八中學，江蘇 南京 210022)

基礎教育

空氣壓縮引火實驗的改進

顏 沸1，莫 濱2

(1．蓮花實驗學校，江蘇 南京 210041；2．南京市第十八中學，江蘇 南京 210022)

針對空氣壓縮引火儀實驗操作中出現硝化棉不著火、燃燒時間短等問題，設計了利用溫變油墨代替硝化棉演示對空氣做功使空氣的內能增加的實驗，改進后的實驗現象明顯.

空氣壓縮引火儀；溫變油墨；內能；硝化棉

在初中物理教學中，學習做功改變物體內能時，都會使用“空氣壓縮引火儀”進行演示. 傳統的操作方法采用硝化棉，實驗成功的要領在于迅速壓下活塞. 如果實驗成功，可以看到硝化棉燃燒，這一現象給予學生強烈的視覺沖擊. 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 影響實驗效果的原因分析

該實驗演示中，未能達成預期效果的原因是多方面的，有教師方面的原因，有學生方面的原因，還有器材方面的原因.

1)硝化棉燃燒這一現象瞬間發生，時間很短，稍縱即逝，如學生稍一走神就會錯過燃燒的瞬間，無論教師的演示實驗多么成功，每次都會有學生錯過. 由于硝化棉的燃燒不可逆，教師要想重復演示，必須用長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，實驗準備時間較長.

2)該實驗技術要求較高，條件苛刻，實驗成功與否和多方面因素有關：首先，硝化棉要干燥，濕度過大，實驗很難成功；其次，放入管中的硝化棉應拉成絲狀，盡可能地增加其表面積，放入的硝化棉過多或過少都會影響實驗的效果；最后，實驗要求教師用力快速壓下活塞. 在實際演示中，力氣大的男教師都會覺得手很疼，很多女教師在做這個實驗時，通常會由于壓下活塞的力度不夠，而出現硝化棉不著火的現象，導致實驗失敗，無法達成實驗預期，影響課堂教學效果. 當實驗室中硝化棉消耗完之后，可以采用普通棉花代替，但是實驗難度也隨之進一步增大.

2 實驗改進

壓下活塞后，筒內空氣溫度升高，只要有現象能夠證明溫度升高即可，不必強求空氣的溫度達到硝化棉的燃點，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，經加溫后顏色消失變為無色，冷卻后立即恢復到原有顏色，因其變化過程可逆，稱為“可逆溫變消色油墨”.

2)在常溫下顯示無色，經加溫后變為另外一種顏色，冷卻后又恢復為原來的無色，變化過程可逆，稱為“可逆溫變發色油墨”.

3)油墨在常溫下呈現某種顏色，加溫后變為另外一種顏色，變化過程可逆，稱為“可逆溫變轉色油墨”.

2.2 實驗步驟

使用可逆溫度消色油墨代替硝化棉完成“對空氣做功使空氣的內能增加”的實驗，經過反復實驗，發現效果很好. 具體步驟如下：

1)溫變油墨的選擇. 溫變油墨的穩定性、變色溫度的高低、變色的快慢和靈敏程度都直接關系到實驗效果的好壞，經過多次實驗發現，使用變色溫度為33～35 ℃、變色時間在3 s以內的藍色或紅色可逆溫變油墨實驗效果較好.

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，這時溫變油墨就能覆蓋住硬紙板原來的顏色.

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，將小硬紙片對折后豎放在空氣壓縮引火儀的筒內底部(豎放便于學生觀察). 慢慢壓下活塞，可以看見溫變油墨的顏色慢慢褪去，露出小硬紙塊本來的顏色.

2.3 實驗優勢

使用溫變油墨代替硝化棉來完成“對空氣做功使空氣的內能增加”的實驗，有3點優勢.

1)相對于硝化棉著火這一瞬間現象，藍色溫變油墨的變色過程是可以緩慢進行的，且隨時可以暫停，亦即是可控的，利于教師提問，亦可提供足夠的時間供學生觀察、思考、回答.

2)相對于硝化棉燃燒的不可逆，藍色溫變油墨的變色過程可以反復演示：壓入活塞，藍色溫變油墨變為無色，顯示出紙片原有的橙色底色；拉開活塞，無色溫變油墨恢復為藍色，如圖1所示. 實驗改進后，節約了課堂時間，提高了教學效率.

圖1 活塞壓下前后紙片顏色對比圖

3)實驗技術要求低，實驗成功率高. 首先，密閉在筒內的溫變油墨很難受到外界溫度及濕度的影響，實驗很容易成功. 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生嘗試操作，利于提升學習興趣.

4)實驗效果明顯，實驗原理簡單，有較強的說服力，同時由于不需要較高的思維能力，也有利于學生對原理的理解，提高課堂教學的效率.

3 改進實驗的拓展

在講述“物體對外做功，物體內能減小”時，能夠列舉的實例特別少，有說服力的演示實驗則更少. 由于物體內能無法測量，所以判斷物體內能是否減小，就只能借助其他現象來推斷，當然，最易于理解的推斷理由是測得物體的溫度降低. 但是這一類現象中的做功，大多是在瞬間完成的，普通的測溫設備無法反映出短時間內的溫度變化.

在這方面實驗中，目前較為理想的實驗是“擰空礦泉水瓶實驗”. 瓶蓋迸出，內能轉化為機械能，氣體內能減少，溫度降低，瓶內的水蒸氣降溫液化，出現白霧. 但是演示此實驗時，有的教師由于專注于瓶蓋迸出，而忽略因降溫液化而出現的白霧[1]. 若需要分析“白霧”現象，首先通過物態變化思考吸放熱情況，進而分析溫度變化，最后推斷出內能變化，需要較高的思維能力. 由于上述分析較復雜，會導致學生將實驗的關注點偏離“做功”. 而采用溫變油墨，可以直接知道溫度變化，易于學生理解.

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無色可樂瓶的內壁. 發現小硬紙片上原本的藍色的溫變油墨變為無色，顯示出原來的底色，這是由于可樂瓶內的溫度高于28 ℃的緣故，慢慢往可樂瓶內打氣至約0.2 kg/cm2的氣壓，快速放氣，發現小硬紙片上的溫變油墨恢復成藍色，表明瓶內空氣溫度降低了，如圖2所示. 這個實驗說明了“物體對外做功，內能減小.”

圖2 可樂瓶充放氣時紙片顏色對比圖

注意事項：

1)做實驗時的環境溫度大約在26 ℃，而可樂瓶內的溫度為30 ℃. 如果可樂瓶內的溫度低于28 ℃，小硬紙片放入可樂瓶后，溫變油墨成藍色，可以將可樂瓶貼有小硬紙片的一側浸在30 ℃的溫水中使其變為無色后再放氣.

2)如圖3所示，為了向可樂瓶內充氣，可以將車胎的氣門樁連同周圍部分車胎膠皮一起剪下，瓶蓋上打一圓孔，孔的邊緣應光滑，使氣門樁恰好可以從瓶蓋內側卡入，孔邊緣不必密封，充氣后，氣門樁邊的膠皮緊壓在瓶蓋上，不會漏氣. 向可樂瓶內打氣時不能打得太多，確保實驗安全.

圖3 可樂瓶密封裝置制作圖

4 結束語

綜上所述，采用溫變油墨代替硝化棉，來完成“對空氣做功使空氣的內能增加”的實驗，克服了空氣壓縮引火儀實驗的弊端，實驗現象明顯，效果顯著. 而且，溫變油墨在中學物理很多演示實驗中，都可以深入地挖掘.

[1] 莫濱.機械能與內能轉化實驗的錯誤分析及改進[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“十二五”規劃2015年度課題(No.L/2015/038)

顏 沸(1977-)，男，江蘇南京人，南京市蓮花實驗學校高級教師，碩士，從事中學物理教學工作.

[責任編輯：尹冬梅]