“點火爆炸”實驗再改進

江蘇省徐州市西苑中學(221002) 彭春艷 李德前

為了說明內能可以轉化為機械能，江蘇鳳凰科學技術出版社編著的九年級物理教科書一直編排有“點火爆炸”實驗。該實驗利用長柄壓電陶瓷點火器引爆酒精蒸氣(裝置見圖1)，使酒精的化學能轉換為內能，進而內能轉化為機械能。

圖1 教科書上點火爆炸實驗裝置

雖然該實驗操作比較簡便，但也存在一些不足，如膠卷盒不好配備，爆炸的成功率有限，接觸式點火加大了操作者的膽怯心理等。我們在實驗教學中基于“缺點列舉法”“組合法”“替換法”等創新技法，著眼于“改變實驗裝置”“更換爆炸物”的創新思路，對該實驗作進一步的優化和設計，取得了十分理想的教學效果。

1 改變實驗裝置

我們用注射器空筒替換膠卷盒，用遙控點火器替換接觸式點火器，并將它們巧妙組合，從而構建新的實驗裝置。

1.1 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖2所示(夾持儀器略)。

圖2 新設計的酒精爆炸實驗裝置

1.2 實驗用品

100 mL塑料注射器空筒、與空筒口徑配套的橡皮塞、遙控脈沖點火器、銅絲網、強力膠、自鎖式尼龍扎帶、鐵架臺、酒精等。

1.3 制作儀器

(1)找一個100 mL塑料注射器，抽出芯桿，保留注射器空筒，如圖3(a)所示。

(2)從注射器空筒的吸入口插入遙控點火器的點火線，并調整好插入導線的長度，再用強力膠封閉吸入口，如圖3(b)所示。

(3)將注射器空筒倒置過來，在其中下部塞入一個銅絲網，如圖3(c)所示。

(4)調整點火線的兩個極點之間的距離，使其打火正常；用自鎖式尼龍扎帶，將遙控點火器捆扎在注射器空筒的中下部；再按空筒的口徑，配一個大小合適的橡皮塞，如圖3(d)所示。

圖3 制作酒精爆炸裝置的主要流程

(5)至此，酒精爆炸裝置就做好了。

1.4 進行實驗

(1)向注射器空筒內注入約5 mL酒精，再將橡皮塞緊緊塞到空筒口上，然后把實驗裝置固定在鐵架臺上。

(2)等酒精充分揮發，空筒里充滿足量的酒精蒸氣時，按下遙控器的點火開關，立即觀察到橡皮塞被炸飛，同時聽到強烈的爆炸聲。上述實驗現象說明，酒精燃燒伴隨著化學能向內能的轉化，并且內能可以轉化為機械能。

(3)再次將橡皮塞塞到注射器空筒口，稍后點火，仍然發生爆炸；如此反復，通常可以引爆3～4次。

(4)實驗結束，整理實驗用品。

1.5 幾點說明

(1)熱天演示本實驗，40 s左右酒精即可充分揮發；冷天演示該實驗，為了加快酒精揮發，需要手捂注射器空筒加熱1 min左右(或對空筒進行熱水浴10 s左右)。

(2)通常情況下，酒精蒸氣在空氣中的爆炸極限是3.5%～18.0%(上限較低、范圍較小)，因此冷天演示時對酒精的加熱時間不宜過長，以免空筒里酒精蒸氣的濃度高于18.0%。

(3)所用酒精溶液的濃度不宜低于75%，因為水分高了酒精難以引爆；所加酒精的量不宜超過10 mL，否則爆炸時易產生明火，極可能燒焦點火導線的絕緣皮。

(4)注射器空筒中的銅絲網具有良好的冷卻作用(可以阻止爆炸時空筒底部剩下的酒精被引燃)，將其放置在注射器空筒25 mL刻度處較為合適。

(5)脈沖點火器的兩個點火極點之間的距離，以5～7 mm為宜；點火時，按下遙控器開關即松手(瞬間放電即可)，不能長時間放電。

(6)點火時，要適時告知學生“本實驗有驚無險”(下同)。

1.6 實驗優點

(1)一次裝藥，可以引爆10次左右，有利于多個班級的連續授課，因此提高了實驗教學的效益。

(2)本實驗裝置“一器多用”，還能用于演示汽油、天然氣、氫氣的爆炸實驗，而且具有較強的情境性和觀賞性。

(3)遙控點火器的使用，使操作者有足夠的安全距離，因此提高了實驗的安全性和可操作性。

(4)本裝置改變了中學物理實驗儀器多年不變的定式，因此激發了學生的創新意識。

2 更換爆炸物

我們還用易燃易爆物火柴替換酒精，把火柴放入V形玻璃管里加熱，從而形成新的實驗方案。

2.1 實驗裝置

新的實驗方案如圖4所示(夾持儀器略)。

圖4 加熱V形玻璃管中的火柴頭

2.2 實驗用品

6 mm×180 mm×180 mm的硬質V形玻璃管、酒精燈、鐵架臺、大頭火柴等。

2.3 制作儀器

(1)截取一根外徑約6 mm、長約37 cm的硬質玻璃管，并將玻璃管口熔光。

(2)利用酒精噴燈對玻璃管的中間部位進行均勻熱熔，待玻璃管熔化后，左、右手同時稍稍用力向中間漸推；當兩邊玻璃管形成的夾角在95°左右時停止加熱，然后將其放在石棉網上冷卻，即得6 mm×180 mm×180 mm的V形玻璃管。

2.4 進行實驗

(1)準備兩根外觀完全一樣的大頭火柴，將火柴頭向下，分別放入V形玻璃管的兩個支管內；手指輕彈玻璃管，兩根火柴緩緩滑落到V形玻璃管的底部，并使兩個火柴頭緊密接觸在一起。

(2)如圖4所示，先將V形玻璃管固定在鐵架臺上，再點燃酒精燈加熱兩個火柴頭。

(3)大約5～7 s，兩個火柴頭幾乎同時“嘭”的一聲爆燃，瞬間飛向空中，落到遠處。上述實驗現象說明，火柴頭燃燒時化學能轉化為內能，內能可以轉化為機械能。

(4)實驗結束，整理實驗用品。

2.5 幾點說明

(1)本實驗中火柴頭爆燃的一瞬間會產生高壓熱氣流，因此要選用硬質玻璃管，以保證實驗安全。

(2)確保實驗中的兩根火柴完全相同，那么受熱時它們可以同時爆燃、同步飛出。

(3)本實驗中的V形玻璃管外徑不要太粗(以略大于火柴梗直徑為宜)，以免爆燃時玻璃管內的氣壓不足，造成火柴梗不能快速飛向遠處。

2.6 實驗優點

(1)本實驗是小儀器、大能量，開闊了學生的眼界，激發了學生的求知欲望。

(2)實驗中兩根火柴可以“比翼雙飛”，因而該實驗具有較強的可視性和趣味性。

(3)本實驗能使學生直觀感悟到能量的轉化，并為教科書中后續的四沖程熱機做功原理做好鋪墊，有利于學生認識物理學科的應用價值。

3 結語

上述兩個實驗案例設計巧妙，不僅可以研究物理上的“能量轉化”，還能研究化學上的“物質變化”和“爆炸條件”，有利于培養學生的學科綜合能力和科學素養，從而充分發揮實驗教學立德樹人的功能。

總之，實驗創新是加強中小學實驗教學的重要途徑，是學科育人的助推器。作為一線教師，我們要勤于實驗改進，不斷將科技新知識和裝備新成果融入理科實驗，從而為中小學實驗課程開發出更多的優秀資源。