打火機的物理原理及教學應用

朱蕾蕾 熊舉峰

湖南師范大學物理與電子科學學院 湖南長沙 410000

打火機作為人類生活中的常用工具，其主要用途是取火，同時也可以用于炊事及其他。以前的打火機基本上都是火石鋼輪式的，用鋼輪和火石摩擦產生火花引燃氣體，隨著科技的發展，落后的火石鋼輪打火機已經被淘汰了，現在基本上是壓電式、磁感應式、電池式，其中，又以壓電式最為普及，本文主要介紹壓電式打火機所蘊含的物理原理[1]。壓電式就是咱們平時用的帶有一個小“電打火”的打火機，按一下就能出火，打火機經常用，那么火是怎么點燃的呢？

1 打火機的結構及點火過程

圖1是市面上常見壓電打火機拆解后的示意圖，一個普通的打火機包括塑料外殼(燃料載體)、防風帽(保護火焰和出火裝置)、按手(控制火焰產生和熄滅)、杠桿(帶動噴氣嘴放氣)、壓電陶瓷打火器(導出電火花與燃料結合)、調火環(調節火焰大小及出氣量)、噴氣嘴(防止漏氣，配合調火環調節火焰高低)、無紡布海綿(調節火焰穩定)、引流芯(引出燃料)。打火機的核心是壓電陶瓷打火器，它可以將機械能轉化為電能，按下打火機按鈕時，打火機內部的蓄力彈簧開始蓄力，按壓到一定程度，塑料上殼的斜切面，就會把扣擊錘頭的纖維桿從卡槽內推出，這時候蓄力彈簧推動叩擊錘頭，撞向下方的壓電陶瓷，壓電陶瓷被撞擊壓縮后出現放電現象，被釋放的電通過高壓導線被傳到噴氣嘴附近，高壓導線和金屬的噴氣嘴構成正負極，產生電弧，與此同時，噴氣嘴會被杠桿拉起產生丁烷，丁烷吸收空氣中的熱量后，會迅速汽化，遇到電弧，就會將電弧點燃。

2 打火機蘊含的物理原理

2.1 壓電效應

打火機的原理主要利用了壓電效應，打火機內部有壓電陶瓷元件，這個元件一端接上導線，引出到打火機的出氣口。在外界電場作用下，壓電陶瓷內部的電荷中心發生相對位移極化。壓電陶瓷的內部表面會出現符號相反的正負束縛電荷，外表面出現極性相反的自由電荷，如圖2，壓電材料受到擠壓出現電荷極化。受到外力作用時，自由電荷被內部束縛電荷排斥走，這也就導致壓電陶瓷向外放電(外界按壓的機械能轉換為電能)，按下的瞬間機械結構帶動了打火機的儲氣閥門開啟，壓電陶瓷放出約3000V以上高壓電擊穿空氣產生火花，丁烷氣體遇到火花而點燃。

壓電陶瓷本身是沒有電的，但是當外力擠壓作用下，壓電陶瓷發生了形變，如圖3所示，它的內部兩側就會出現正負電荷，表現出有電的狀態，這時按壓力產生的機械能轉化為電能。這被稱之為正壓電效應。

逆壓電效應與正壓電效應相反。如圖4所示，給壓電陶瓷增加一個外電場，這個時候壓電元件就會產生形變。如果通入的是高頻交流電，元件就會出現反復的形變，也就是振動。這就是逆壓電效應，這是電能轉化為了機械能。

打火機的電子器打人發麻，這是什么原理呢？打火機壓電陶瓷產生的電壓在3000V以上，而且這種高壓可以將2mm左右的空氣擊穿。打火機利用金屬線頭以及氣孔噴嘴，瞬間將打火機內的丁烷氣體燃燒。此外，壓電感應所產生的電流僅僅只有0.01秒，極為短暫的傷害不會對人體造成較大痛處。因此，打火器給人的是觸電發麻的感覺，并沒有太大痛苦。

2.2 彈簧彈力

如圖5所示，打火機的擊錘兩端都有彈簧，向下壓壓柄，給彈簧施加壓力就會壓縮彈簧，彈簧通常在受力情況下，以產生較大形變，將儲存的機械動能轉換成為彈性勢能，從而彈簧在恢復原狀時，能夠很好地將彈性勢能變為動能。通過擊錘裝置打到壓電陶瓷上，就會放電產生火花。這種彈簧屬于壓縮彈簧，其能承受軸向壓力的螺旋彈簧，采用的材料也為圓形，矩形以及多股鋼索卷制而成。彈簧為等節距，其形狀也大多為圓柱形或者是圓錐形，少量彈簧是非圓形，壓縮彈簧圈之間必然存在一定間隙，當其受到外荷載壓力時，就會將動能儲存為勢能，轉而變成強有力的動能。

2.3 杠桿

如圖6所示，用手壓迫按鍵后，通過杠桿作用將手的壓力轉換為沖力作用在壓電陶瓷上，同時帶動噴氣嘴噴出燃料。如圖所示，O是支點，動力F1是手按壓壓柄的力，阻力F2是噴氣嘴對杠桿的支持力，支點O到動力F1作用線的距離為動力臂L1，支點O到阻力F2作用線的距離為阻力臂L2，可以看出動力臂小于阻力臂，因此打火機中的杠桿屬于費力杠桿。

2.4 壓強

如圖7所示，打火機外部塑料按手的表面積與電子打火器的壓柄的表面積相比要大2倍，根據壓強公式P=F/S，增大表面積可以減小壓強，人在使用打火機時會更加舒適。

2.5 物態變化

氣體打火機利用體積壓縮將丁烷氣體變成液體，以便儲存。打火機內壓強大于外界大氣壓，當閥門松動時，丁烷液體能夠急速達到汽化狀態。物體在形態變化過程中，將吸收大量的熱，導致外殼溫度降低，因此噴氣嘴會凝華形成小冰晶。

打火機如圖8所示，是打火機中丁烷迅速氣化，周圍空氣在噴氣嘴附近形成的冰霜。

3 打火機在中學物理教學中的應用

3.1 利用打火機設計演示實驗作為課堂引入

物理教學過程中，演示實驗是新課導入最直接的方式之一。另外，實驗還具備生動、直觀以及新奇的特點，能夠激發學生的直覺興趣。此外，教師在進行科學活動探究時，應充分發揮出實驗的趣味性、奇異性以及多邊性，為教學課堂創造生動情境，活躍學生的思維。最后，演示實驗的主要目的還是用以配合教學，教師應根據不同的教學目標，選擇合適的實驗方法，如學生觀察實驗或者是動手操作實驗等，以便讓學生在實驗中總結出事物的規律，從而更能理解書本里的物理概念。例如，在講授初二物理第三章物態變化時，利用打火機內的丁烷迅速汽化的現象；在第七章第二節，利用打火機讓學生體會彈簧彈力的大小和方向；在十二章杠桿知識點，讓學生體會杠桿在生活中的利用等。巧用演示實驗，讓物理概念不再枯燥無味，從而激發學生的學習興趣[2]。

演示實驗設計舉例。

實驗器材：一個打火機。

實驗步驟：(1)把打火機的金屬殼去掉，調節噴嘴處的小齒輪，把打火機的噴氣量盡量調到最大，防止著火。

(2)壓下打火機的壓板，片刻后就可以觀察到打火機內部的液體消失，同時能聞到一股輕微的刺激性氣味。

原理解釋：打火機內的氣壓大于外界氣壓，當壓下打火機壓板時，打火機內的氣壓降低，打火機內的液體燃料發生汽化現象，從而消失。又因為打火機內液體燃料主要成分為正丁烷，其有輕微刺激性氣味。

3.2 作為命題素材，命制試題

命題時，我們應該注重命題的教育功能，加強與社會、生產、生活的聯系，注重滲透科學精神與人文精神。命題要彰顯學科理念，體現學科價值。打火機作為日常生活中常見的工具，以打火機為素材命題能加強與學生生活實際的聯系，引導學生從物理學視角認識生活，讓學生感受到物理知識在生活中的存在價值，引導學生在生活中發現物理，用細心觀察到生活中容易被忽視的物理現象，增強學生對物理學科的親切感[3]。

命題舉例：生活中常見的打火機，通常可以看見里面存有液體。小明有一天在玩打火機時，發現閥門松動了。沒過多久，小明發現打火機里的液體消失了，但是放置打火機周圍并沒有發現液體，而且閥門周圍還凝結了一層白色的物質，用手觸摸打火機會感受到冰涼的感覺，請大家試著用“物態變化”相關知識解釋該種現象。

結語

“從生活中來”，知識才有意義；“到生活中去”，知識才有價值。在教學中注重聯系生活，通過觀察生活中的物理現象，設計演示實驗或者是學生自主動手操作實驗，同時也可以鼓勵學生進行科技小制作、社會實踐或是活動交流等，拉近學生認知中的物理與生活的距離，使學生深切感受到科學存在的真實性，促使學生平日多留心觀察身邊的所見所聞，并能夠大膽嘗試使用物理知識對其加以解釋，自覺地在實踐中運用物理原理，真正做到“從生活走向物理，從物理走向社會”。