“上浮的檸檬片”
——針對英國物理學會網站實驗分析的質疑

李耀俊 任樹榆 楊 杰

(1. 廣西民族大學理學院物理系,廣西 南寧 530006； 2. 南寧市第二中學,廣西 南寧 530004)

英國物理學會(IOP—Institute of Physics)是國際著名學術機構,在全世界注冊超過36000名會員,致力于促進物理學發展和在全世界的傳播．為了更好地激發公眾,尤其是青少年對物理學的認知興趣, IOP網站設置“走進物理世界”(Physics to Go)欄目,設計20個趣味探究實驗,其中第5個項目是“上浮的檸檬片”, 器材包括切好的檸檬片,4根火柴,大號品脫玻璃杯,煙灰缸,水．

IOP網站詳細說明探究活動過程,[1]實驗現象如圖1所示．

(1) 把水倒入煙灰缸,水深大約1 cm．

(2) 把3支火柴插入檸檬片,形成三角形金字塔結構,火柴頭聚攏在金字塔頂端．

(3) 把插有火柴的檸檬片小心放入煙灰缸中央,使其漂浮在水面．

(4) 用剩余火柴點燃檸檬片上的火柴頭．

(5) 用品脫玻璃杯迅速罩住檸檬片,倒扣在煙灰缸的水中．

(6) 火柴熄滅,檸檬片神奇地在玻璃杯內上?。?/p>

圖1 上浮檸檬片實驗

以下是IOP網站給出實驗現象的說明與解釋.

(1) 倒扣玻璃杯內的空氣經歷了受熱膨脹和冷卻收縮等不同過程,導致玻璃杯內的氣體壓強變化．點燃火柴燃燒,玻璃杯內的氣體溫度升高,體積膨脹．當玻璃杯內所有的O2都消耗完畢,火柴熄滅,杯內氣體溫度降低,體積縮小,煙灰缸里面的水被吸入玻璃杯內,檸檬片上?。?/p>

(2) 火柴燃燒改變了玻璃杯內的氣體成分,氣體體積也發生變化．火柴燃燒消耗玻璃杯內的O2,生成產物是CO2和H2O．水在常溫狀態下是液態,玻璃杯內的氣體體積減少,水被吸入玻璃杯內,檸檬片上?。?/p>

作為國際權威學術機構,IOP 網站設計這些物理實驗項目,利用生活中常見的簡單器材,探究生動有趣的物理現象,給出淺顯通俗的科學解釋,體現其應有的社會責任與價值擔當．

但是,IOP網站對于上浮檸檬片實驗的解釋,存在一些不夠嚴密,甚至是錯誤的說法,容易誤導青少年對一些基本物理概念與物理理論的認知．

(1) IOP 認為“玻璃杯內所有的O2消耗完畢,火柴熄滅”．

針對本次“上浮的檸檬片”探究活動設計與實驗環境,這個說法是錯誤的．燃燒是劇烈的氧化反應,影響燃燒的因素包括可燃物性質、O2濃度、O2接觸面積．O2作為常用助燃劑,O2濃度不足,物體釋放的熱量不能支持燃燒．空氣中的易燃物,即使滿足著火狀況,空氣含氧量低于16%不足以維持燃燒,含氧量低于15%就會熄滅．

Vitz利用氣相色譜分析,對紙片在密閉環境中的燃燒產物進行氣體分析,發現只有56%的O2參與化學反應．[2]相比較于火柴或蠟燭,紙片燃燒的接觸面積更大,反應更為充分,尚且無法消耗全部的O2．通常的實驗環境中,火柴燃燒更不可能消耗全部O2．Brik做過一個趣味實驗,封閉容器內的火焰熄滅后,仍然含有足夠的O2,可以保證一只小白鼠毫不困難呼吸．[3]針對“上浮的檸檬片”,較為合理的解釋是:在密閉環境中火柴燃燒,分為3個不同階段:O2濃度較高時,火柴進行完全燃燒,生成H2O和CO2;O2濃度降低,火柴進行不完全燃燒,生成CO,有黑色煙灰上升到容器頂部;O2濃度小于一定值,火柴無法燃燒,最終熄滅．

(2) IOP認為“火柴燃燒生成CO2和H2O,玻璃杯內的氣體成分變化,氣體體積減少”．

這個說法同樣經不起嚴密的科學分析,也是錯誤的．“上浮的檸檬片”和我們熟悉的蠟燭燃燒現象相似,將一支蠟燭置于水中,點燃后倒扣量筒,蠟燭熄滅,量筒內水面上升．針對蠟燭燃燒的錯誤說法流傳久遠——O2和C發生化學反應,生成CO2和H2O．由于空氣中的O2含量為21%,CO2溶解于水中,水面上升的高度約為量筒高度的20%．

2013年國際青年物理學家錦標賽IYPT(International Young Physicist Tourment),設立的一個研究項目“水上升”:在裝有水的碟子中間垂直放置一根蠟燭,點燃蠟燭后罩上一個透明燒杯,探究并解釋發生的現象．[4]可見,蠟燭燃燒問題并非我們想象得那樣簡單,一些錯誤說法更是根深蒂固,需要用科學實驗及時糾正．

本文認為,“上浮的檸檬片”無法保證實驗過程嚴密的封閉環境,火柴燃燒時,火柴頭周圍的熱空氣膨脹．用玻璃杯罩住檸檬片,部分熱氣體以氣泡的形式逃出玻璃杯,導致玻璃杯內部的氣體減少,水位上升．雖然物理因素和化學因素都對蠟燭熄滅和水面上升有影響,但是與氣體體積變化有關的物理因素占據主導地位,化學反應的影響因素很?。?/p>

圖2 密閉燃燒室

火柴的化學成分復雜,火柴頭主要含有KCl、MnO2、硫磺和玻璃粉等,火柴桿涂有少量的石蠟．蠟燭是固態碳氫化合物,熔點約為60 ℃,為了確定物體燃燒前后的氣體變化及其影響因素,本文以蠟燭為研究對象,設計新型的燃燒室,在嚴格密閉的環境中進行實驗,如圖2所示．

圖3 蠟燭燈芯燃燒

傳統蠟燭多以棉芯為燈芯,燃燒過程中棉芯和蠟液會同時減少,不容易定量控制蠟燭的燃燒和熄滅時間．本裝置利用人工金屬燈芯取代棉芯,將一根直徑0.5 mm的注射器針頭截取1 cm,把針頭插入蠟燭內部,用鎳鉻合金絲纏繞在金屬燈芯上,兩端與導線連接,將蠟燭固定位置后形成燃燒裝置．用大號透明塑料容器裝入適量的水,標有刻度線的量筒倒扣在蠟燭上方,塑料容器底部鉆兩個小孔,將導線穿透容器,與蠟燭和外接電源構成完整的電流回路,然后用熱熔膠密封小孔,防止水泄露．用軟管吸出量筒內的部分空氣,使得量筒內水面上升,構成一個密封良好的燃燒室,有效防止氣體向外界逃逸．將電源電壓調節到30 V,鎳鉻合金絲通過電流而發熱,發出明亮的紅光．金屬燈芯底部的蠟燭受熱融化,毛細作用使得蠟液上升,到達針尖部位后燃燒而發出橘黃的火焰,如圖3所示．

本實驗有如下幾個特點.

(1) 切換電源開關,改變金屬燈芯的溫度,靈活控制蠟燭燃燒或者熄滅,確定蠟燭不同的燃燒時間,便于在完全燃燒、不完全燃燒等階段,探究量筒內氣體的體積變化情況．

(2) 確保蠟燭燃燒時間足夠長,使得量筒內部的絕大多數O2發生化學反應,探究理想燃燒條件下氣體的體積變化．

(3) 設置嚴密的水封,確保實驗前后量筒與外界隔絕,避免氣體逃逸．

實驗現象與結果表明,無論蠟燭進行完全燃燒還是不完全燃燒,量筒內部氣體體積變化都很小,體積變化量不超過2%．