江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002) 彭春艷 李德前

為了說(shuō)明內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社編著的九年級(jí)物理教科書一直編排有“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)利用長(zhǎng)柄壓電陶瓷點(diǎn)火器引爆酒精蒸氣(裝置見(jiàn)圖1)，使酒精的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，進(jìn)而內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 教科書上點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn)裝置

雖然該實(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)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(diǎn)火加大了操作者的膽怯心理等。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中基于“缺點(diǎn)列舉法”“組合法”“替換法”等創(chuàng)新技法，著眼于“改變實(shí)驗(yàn)裝置”“更換爆炸物”的創(chuàng)新思路，對(duì)該實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，取得了十分理想的教學(xué)效果。

1 改變實(shí)驗(yàn)裝置

我們用注射器空筒替換膠卷盒，用遙控點(diǎn)火器替換接觸式點(diǎn)火器，并將它們巧妙組合，從而構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)裝置。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示(夾持儀器略)。

圖2 新設(shè)計(jì)的酒精爆炸實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火器、銅絲網(wǎng)、強(qiáng)力膠、自鎖式尼龍?jiān)鷰А㈣F架臺(tái)、酒精等。

1.3 制作儀器

(1)找一個(gè)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(diǎn)火器的點(diǎn)火線，并調(diào)整好插入導(dǎo)線的長(zhǎng)度，再用強(qiáng)力膠封閉吸入口，如圖3(b)所示。

(3)將注射器空筒倒置過(guò)來(lái)，在其中下部塞入一個(gè)銅絲網(wǎng)，如圖3(c)所示。

(4)調(diào)整點(diǎn)火線的兩個(gè)極點(diǎn)之間的距離，使其打火正常；用自鎖式尼龍?jiān)鷰?，將遙控點(diǎn)火器捆扎在注射器空筒的中下部；再按空筒的口徑，配一個(gè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)

(1)向注射器空筒內(nèi)注入約5 mL酒精，再將橡皮塞緊緊塞到空筒口上，然后把實(shí)驗(yàn)裝置固定在鐵架臺(tái)上。

(2)等酒精充分揮發(fā)，空筒里充滿足量的酒精蒸氣時(shí)，按下遙控器的點(diǎn)火開關(guān)，立即觀察到橡皮塞被炸飛，同時(shí)聽到強(qiáng)烈的爆炸聲。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，酒精燃燒伴隨著化學(xué)能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，并且內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

(3)再次將橡皮塞塞到注射器空筒口，稍后點(diǎn)火，仍然發(fā)生爆炸；如此反復(fù)，通?？梢砸?～4次。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

1.5 幾點(diǎn)說(shuō)明

(1)熱天演示本實(shí)驗(yàn)，40 s左右酒精即可充分揮發(fā)；冷天演示該實(shí)驗(yàn)，為了加快酒精揮發(fā)，需要手捂注射器空筒加熱1 min左右(或?qū)胀策M(jìn)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(shí)對(duì)酒精的加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，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?yàn)樗指吡司凭y以引爆；所加酒精的量不宜超過(guò)10 mL，否則爆炸時(shí)易產(chǎn)生明火，極可能燒焦點(diǎn)火導(dǎo)線的絕緣皮。

(4)注射器空筒中的銅絲網(wǎng)具有良好的冷卻作用(可以阻止爆炸時(shí)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(diǎn)火器的兩個(gè)點(diǎn)火極點(diǎn)之間的距離，以5～7 mm為宜；點(diǎn)火時(shí)，按下遙控器開關(guān)即松手(瞬間放電即可)，不能長(zhǎng)時(shí)間放電。

(6)點(diǎn)火時(shí)，要適時(shí)告知學(xué)生“本實(shí)驗(yàn)有驚無(wú)險(xiǎn)”(下同)。

1.6 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)一次裝藥，可以引爆10次左右，有利于多個(gè)班級(jí)的連續(xù)授課，因此提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益。

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

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

(4)本裝置改變了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器多年不變的定式，因此激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

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(shí)驗(yàn)方案。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

新的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用品

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

2.3 制作儀器

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

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

2.4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

(1)準(zhǔn)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(gè)支管內(nèi)；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(gè)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(tái)上，再點(diǎn)燃酒精燈加熱兩個(gè)火柴頭。

(3)大約5～7 s，兩個(gè)火柴頭幾乎同時(shí)“嘭”的一聲爆燃，瞬間飛向空中，落到遠(yuǎn)處。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，火柴頭燃燒時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

2.5 幾點(diǎn)說(shuō)明

(1)本實(shí)驗(yàn)中火柴頭爆燃的一瞬間會(huì)產(chǎn)生高壓熱氣流，因此要選用硬質(zhì)玻璃管，以保證實(shí)驗(yàn)安全。

(2)確保實(shí)驗(yàn)中的兩根火柴完全相同，那么受熱時(shí)它們可以同時(shí)爆燃、同步飛出。

(3)本實(shí)驗(yàn)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(shí)玻璃管內(nèi)的氣壓不足，造成火柴梗不能快速飛向遠(yuǎn)處。

2.6 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)本實(shí)驗(yàn)是小儀器、大能量，開闊了學(xué)生的眼界，激發(fā)了學(xué)生的求知欲望。

(2)實(shí)驗(yàn)中兩根火柴可以“比翼雙飛”，因而該實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的可視性和趣味性。

(3)本實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生直觀感悟到能量的轉(zhuǎn)化，并為教科書中后續(xù)的四沖程熱機(jī)做功原理做好鋪墊，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)巧妙，不僅可以研究物理上的“能量轉(zhuǎn)化”，還能研究化學(xué)上的“物質(zhì)變化”和“爆炸條件”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科綜合能力和科學(xué)素養(yǎng)，從而充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)立德樹人的功能。

總之，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是加強(qiáng)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑，是學(xué)科育人的助推器。作為一線教師，我們要勤于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，不斷將科技新知識(shí)和裝備新成果融入理科實(shí)驗(yàn)，從而為中小學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開發(fā)出更多的優(yōu)秀資源。