“燃燒條件”實驗的改進

摘 要： 針對“燃燒條件”探究實驗在安全、成功率及實驗效果上存在的不足，提出了改進方案：首先，選用無毒環(huán)保的蠟燭與火柴替代白磷和紅磷，確保實驗過程的安全；其次，引入燃燒匙作為燃燒平臺，巧妙地將火柴頭和火柴梗分隔于兩個燃燒匙中，優(yōu)化燃燒效果；最后，用傳感器監(jiān)測記錄氧氣含量與溫度變化的數(shù)據(jù)，并以圖表的形式呈現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞： 燃燒條件； 蠟燭燃燒； 氧氣傳感器； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）12006903

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

燃燒條件探究是《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》中學(xué)生八大必做實驗之一［1］。人教版九年級上冊化學(xué)教材中采用白磷和紅磷作為可燃物，運用控制變量法設(shè)計實驗方案［2］，旨在幫助學(xué)生深入理解燃燒三要素，即可燃物、氧氣（或空氣）、達到燃燒所需的最低溫度（著火點）。盡管目前已涌現(xiàn)出眾多針對本實驗的優(yōu)化案例［3］，但多數(shù)方案仍未能全面解決以下三個核心問題：一是安全性。這些方案普遍繼續(xù)沿用有毒且易燃的白磷作為實驗材料，無論是在教師演示還是學(xué)生實驗中，都潛藏著不容忽視的安全風(fēng)險；二是環(huán)保性。即便采取將實驗體系密封或使用堿液吸收等措施，燃燒過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)仍難以確保被完全吸收，不可避免地釋放至大氣中；三是成功率。由于氧氣供應(yīng)氣流的不穩(wěn)定以及白磷難以固定，使實驗常出現(xiàn)“一閃即滅”現(xiàn)象，使實驗成功率及效果極差。

浙教版八年級下冊科學(xué)教材中采用蠟燭和火柴作為可燃物進行燃燒條件的探究［4］。實驗1：點燃一支蠟燭，觀察到其在空氣中穩(wěn)定燃燒。然后將一個玻璃杯倒扣在蠟燭上，蠟燭火焰逐漸減弱并最終熄滅。通過這個實驗，說明氧氣是燃燒的必備條件之一。實驗2：將一根火柴折斷，分成火柴頭和火柴梗兩部分，并將它們分別置于銅板的兩端。隨后，用酒精燈對銅板進行加熱，觀察到火柴頭先于火柴梗燃燒。通過這個實驗，說明只有溫度達到可燃物的著火點時，燃燒才會發(fā)生。相較于人教版化學(xué)教材中的實驗設(shè)計，本實驗在選材上體現(xiàn)了綠色環(huán)保優(yōu)勢。然而，經(jīng)過多次教學(xué)實踐的細致觀察與評估，發(fā)現(xiàn)該實驗仍存在以下需改進之處：（1）可視性不足；（2）成功率受限。為此，本研究提出如下改進方案。

2 實驗改進

2.1 設(shè)計思路

在綜合分析各類設(shè)計方案的優(yōu)劣后，本實驗選取無

毒無害且環(huán)境友好的蠟燭和火柴作為可燃物，旨在營造一個綠色、安全的實驗環(huán)境；為優(yōu)化實驗效果，采用表面積更小的燃燒匙替代銅板，此舉有效減少熱量散失，實現(xiàn)燃燒區(qū)域快速升溫，確保火柴頭和火柴梗燃燒時都能產(chǎn)生明顯的火焰；針對火柴頭和火柴梗燃燒時易相互引燃，采取分隔策略，將火柴頭和火柴梗分別置于兩個燃燒匙中；此外，本實驗還采用氧氣傳感器和溫度傳感器，對實驗體系內(nèi)的氧氣含量及溫度變化進行監(jiān)測與記錄，為學(xué)生提供直觀的實驗數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生深入理解燃燒三要素。

2.2 實驗用品

帶孔玻璃罩1個、氧氣傳感器1臺、雙探頭熱電偶測溫儀1臺、燃燒匙、鐵架臺、鐵夾、試管夾、酒精燈、打火機、鑷子、蠟燭、火柴

2.3 實驗過程

2.3.1 燃燒條件探究實驗一

將氧氣傳感器探頭插入玻璃罩上的圓孔中，確保探頭完全進入且密封性良好，無漏氣現(xiàn)象，連接傳感器至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。打開傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開始記錄數(shù)據(jù)。點燃蠟燭并迅速而平穩(wěn)地蓋上玻璃罩，盡量減少空氣擾動，如圖1所示。

觀察蠟燭燃燒情況，同時注意傳感器實時顯示的氧氣含量數(shù)據(jù)。待蠟燭自然熄滅，期間持續(xù)記錄氧氣含量數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，利用數(shù)據(jù)采集軟件將氧氣含量數(shù)據(jù)整理成表格，并繪制成隨時間變化的曲線圖（見圖2）。

從圖中清晰地看到，隨著蠟燭的燃燒，氧氣含量從最初的20.7%開始逐漸下降，直至蠟燭熄滅時，氧氣含量降至16.4%。這一現(xiàn)象深刻揭示了燃燒的必備條件之一：充足的氧氣。在燃燒過程中，氧氣作為助燃物與可燃物（蠟燭）發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)氧氣含量降低到一定程度時，燃燒無法繼續(xù)維持，從而導(dǎo)致蠟燭熄滅。

2.3.2 燃燒條件探究實驗二

使用鐵夾和試管夾穩(wěn)固地將燃燒匙固定在鐵架臺上，確保其穩(wěn)定不晃動。在燃燒匙正下方安全距離內(nèi)放置酒精燈，特別注意調(diào)整酒精燈位置，確保酒精燈的外焰不會直接接觸到燃燒匙或上方的火柴，以防意外引燃。將熱電偶測溫儀的金屬探頭精確連接至燃燒匙，以便準確測量燃燒過程中的溫度變化。向兩個燃燒匙中分別放入火柴頭和火柴梗，確保兩者處于相同或相近的初始條件下，如圖3所示。

打開測溫儀，確保其處于正常工作狀態(tài)。點燃酒精燈，同時開始密切觀察測溫儀示數(shù)及火柴頭和火柴梗的燃燒情況。隨著測溫儀示數(shù)逐漸增大，首先觀察

到火柴頭開始燃燒，此時迅速記錄測溫儀示數(shù)T1，此值可視為火柴頭的著火點溫度。隨后，待溫度繼續(xù)升高，火柴梗也開始燃燒，此時再次記錄測溫儀示數(shù)T2，此值則反映了火柴梗的著火點溫度。熄滅酒精燈，并等待燃燒匙及測溫儀的溫度降至初始狀態(tài)，進行重復(fù)實驗以減小實驗誤差，將每次實驗的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，我們可以明晰得出燃燒的必備條件之一：達到燃燒所需的最低溫度（著火點）。此外，不同可燃物的著火點存在顯著差異，這一發(fā)現(xiàn)加深了對“燃燒需要達到一定溫度”的理解。

3 實驗改進的優(yōu)點

（1） 實驗現(xiàn)象清晰可見。通過采用表面積更小的燃燒匙替代銅板，顯著減少了實驗過程中的熱量散失，從而加速了升溫過程。這一改進確保了火柴頭和火柴梗均能在較短的時間內(nèi)達到其燃燒所需溫度，產(chǎn)生更為明亮持久的火焰，實驗現(xiàn)象更加鮮明。

（2） 實驗成功率提高。將火柴頭和火柴梗巧妙地分隔放置于兩個燃燒匙中，這一改進設(shè)計解決了火柴頭可能意外引燃火柴梗的問題。從而大大提高了實驗的成功率。

（3） 傳感器實時測量。將原本難以捕捉的氧氣含量和溫度變化以數(shù)據(jù)和圖表的形式直觀地呈現(xiàn)出來，豐富了教學(xué)手段，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022： 79～80.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 128～129.

［3］王立超. 燃燒條件演示實驗的新設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （1）： 68～70，95.

［4］朱清時主編. 義務(wù)教育教科書·科學(xué)（八年級下冊）［M］. 杭州： 浙江教育出版社， 2013： 18～82.