紅磷燃燒在熱力環流實驗中的應用與研究

山東省棗莊市教育科學研究院(277020) 馮統偉

山東省棗莊市市中區實驗中學(277100) 孫啟洋

山東省棗莊市第十六中學(277102) 王延娥

1 課題的由來

高一地理人教版課本必修一第36頁中關于驗證熱力環流的實驗，實驗的步驟為：在一個用保鮮膜封閉的透明玻璃箱內，一邊放冰塊，一邊放熱水，當把一支點燃的香放入冰塊一側時，就能明顯地看到煙在箱內循環流動(見圖1)。

圖1 課本中的熱力環流圖示

然而多數教師在進行該實驗時，實驗效果卻很不明顯，基本上看不到煙霧環流的現象。驗證熱力環流的實驗是地理學科很重要的內容，按照課本中的設計進行該實驗時，只有靠近講臺的幾位學生能看到一點點實驗現象，后面的學生基本上看不到煙霧環流的現象，一方面無法調動學生的學習熱情，在學生腦海里無法留下深刻的印象；另一方面影響學生對熱力環流原理的理解。從而導致很多教師在上課時不得不放棄實驗，改為播放視頻給學生看，視頻只能讓學生認識，卻不能讓學生信服，實驗的說服力才是最大的。

熱力環流是大氣運動最簡單的形式，是由于地面的冷熱不均而形成的空氣環流。其形成過程為：受熱地區大氣膨脹上升，近地面形成低氣壓，而高空形成高氣壓；受冷地區相反，從而在近地面和高空的水平面上形成了氣壓差，促使大氣的水平運動，形成高低空的熱力環流(見圖2)。

圖2 空氣環流圖示

熱的地方空氣受熱膨脹上升，冷處收縮下沉。上空相同高度處，熱的地方單位面積空氣柱重量(即氣壓)大，冷的地方高空氣壓小，高空形成熱-冷的氣流。熱處氣流流失后，整個空氣柱減輕，地面形成低壓，冷處則形成高壓，近地面形成冷-熱的氣流。加上上升、下沉氣流，構成了熱力環流[1]。

根據所學的化學知識可知，紅磷是暗紅或略帶棕色的粉末，在空氣中點燃時能劇烈燃燒，發黃光，冒白煙，放出大量的熱。這個實驗的放熱現象特別明顯，能生成大量的白煙。于是筆者想到利用紅磷燃燒放出的大量的熱來和另一側放置的冰塊產生氣壓差，生成白煙的運動模擬氣體運動軌跡來增強實驗效果。還可以把裝置的背面設計成黑色，讓背面的黑色和反應生成的白煙形成明顯的對比，進一步增強實驗的視覺效果。

從中國專利信息網上查詢到的結果：楊佳友，劉其友：一種熱力環流教學演示儀，[G09B23/16]申請號：CN201320026436.9。這種熱力環流教學演示儀是一個透明長方體空腔，長方體空腔內設有發煙裝置，在長方體空腔底部一邊設有加熱裝置，在長方體空腔底部另一邊設有制冷裝置，長方體空腔頂部設有蓋板，蓋板可打開，蓋板上設有穿孔，通過活塞可將穿孔打開或關閉[2]。按這種方法設計的裝置在實際操作中，因為長方體空腔冷熱效果不好，沒有中間的擋板，導致實驗現象只能在很小范圍內被看到，效果仍是不好。

2 實驗方案及設計

根據上述查找的資料和化學知識，熱力環流演示裝置的設計可分為3個方面：

(1)整體框架設計。熱力環流演示裝置的外形設計為長方形的箱子，箱子的長100 cm，寬30 cm，高80 cm；箱子的中間有一個擋板，擋板的上下方分別有一個高約10 cm的可以前后拉動的擋板，根據實驗和學生觀察實驗現象的需要控制擋板的開關。

(2)燈光設計。箱子的前面(實驗現象的觀察面)是一個可以左右移動的玻璃板；對應面內側涂成黑色，便于學生觀察實驗現象；箱子的頂端配有燈管，在紅磷燃燒產生的白煙較多時，打開燈就可以更清楚地看清熱力環流現象。

(3)冷熱溫差設計。在箱子的底部兩側分別放一個黃金加熱管和一盒冰塊，可以讓箱子的兩邊形成冷熱對比強烈的空氣環境；在黃金加熱管的左側放一長條鐵皮，鐵皮的上面放適量的紅磷(見圖3)，利用紅磷燃燒時產生大量的白煙模擬近地面冷熱不均—空氣的垂直運動(上升或下沉)—同一水平面上存在氣壓差異—空氣的水平運動—形成熱力環流。

圖3 自制熱力環流演示裝置圖

3 實驗操作方法

(1)實驗準備階段：先把裝置中間的上下兩個擋板全部關閉，然后把冰塊放到右側區域一段時間，讓右側區域溫度降低。為了能在右側形成較冷的環境，可以提前十分鐘左右將冰塊放進去。

(2)實驗操作過程：將裝置前面的玻璃板拉開一小段空間，在鐵皮上面放置少量紅磷，用火柴去點燃紅磷；點燃紅磷后，快速把玻璃板推到關閉狀態，可以看到生成的白煙在左側區域從下方逐漸上升到頂部。這時閉合黃金加熱管的開關，黃金加熱管可以在短時間內把左側區域的溫度提高，可以看到白煙上升速度加快。

(3)實驗現象講解和觀察：在左側區域看到白煙充沛而且充滿大部分區域時，接著把上下兩個擋板拉開一半，讓白煙進入到右側區域，能看到右側區域的白煙遇冷空氣后快速下行。這時教師可以一邊讓學生觀察白煙的運動軌跡，一邊解說熱力環流的成因。大多數學生能清楚觀察到實驗現象，并結合課本知識，認識熱力環流的原理。

到最后看到左右兩側區域的白煙都充滿時，把兩個擋板全部打開，左右兩側的白煙在冷熱對比強烈的空氣環境里，形成熱力環流的現象很明顯，坐在班級最后面的學生也能清楚地看到實驗現象(見圖4)。

圖4 實驗現象

(4)實驗整理：教師拔下裝置連接的電源，把熱力環流演示裝置提到教室的外面，讓裝置自然冷卻，利用裝置右側的冰塊融化的水來吸收紅磷燃燒生成的五氧化二磷。

4 結果分析

這個實驗能很明顯看到白煙的飄動現象，分析其原因是：黃金加熱管可以短時間內給左側的箱子提供很好的熱量，讓左側的空氣受熱，氣壓降低；右側的冰塊可以讓空氣冷卻，氣壓升高。將上下的活動擋板打開后，冷熱兩種空氣就會因氣壓不同而發生流動的現象。白煙從黃金加熱管上方向上飄，說明熱的地方近地面產生低氣壓；白煙從冰塊位置向黃金加熱管方向飄動，說明冷的地方氣壓升高。從而讓學生明白了由于冷熱不均產生的氣壓差，促使大氣的運動，形成高低空的熱力環流。

紅磷燃燒生成的五氧化二磷，需要用水吸收或通風處理。五氧化二磷為白色固體，易吸濕，360 ℃升華，溶于水產生大量熱并生成磷酸，對乙醇的反應與水相似，相對密度2.39 g/cm3，熔點340 ℃，為酸性氧化物，有腐蝕性，不可用手直接觸摸或食用，也不可直接聞氣味。因此在進行演示操作過程中，點燃紅磷后，就要快速把玻璃板推好，直到實驗結束都不要打開演示裝置，防止生成的五氧化二磷逸出。等下課后再把本裝置拿到室外無人處打開通風，或者等第二天再打開，讓右側的冰溶化成水，利用水吸收五氧化二磷。

5 結論

熱力環流的原理作為高中階段地理學科重要的理論性知識，對于理解氣壓帶和風帶，以及常見天氣系統的形成與影響具有重要作用。但是熱力環流的原理相對較為抽象，而且課堂教學較為枯燥乏味，導致學生對原理掌握不透徹，理解不夠全面。基于該原理的重要性及學生學情的現實狀況。筆者經過反復查找資料和試驗，制定了紅磷燃燒熱力環流實驗方案，由此制作的實驗器材驗證了紅磷燃燒驗證熱力環流實驗的可行性和高效性。