探究火焰在帶電金屬板間跳躍的原因

季　潔，劉　文，張錫娟

(揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

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探究火焰在帶電金屬板間跳躍的原因

季潔，劉文，張錫娟

(揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

以IYPT競賽題中的“跳躍的火焰”為例，針對中學(xué)生的物理知識(shí)背景，分析了將該類賽題作為實(shí)驗(yàn)探究課題的可行性，給出了具體分析探究課題的方法，同時(shí)，結(jié)合例題示范了如何引導(dǎo)中學(xué)生在課題探究中發(fā)現(xiàn)問題并具體解決問題.

實(shí)驗(yàn)探究；指導(dǎo)方法；IYPT

國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicist’s Tournament, IYPT)是一個(gè)高層次的物理競賽，每年的賽題都是完全開放的，其開放性不僅在于沒有特定的答案，需要學(xué)生們利用與問題相關(guān)的、不同領(lǐng)域的物理知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，還在于這些題目除了物理學(xué)者們以外，中學(xué)生、本科生都可以進(jìn)行探究，只是探究的深度會(huì)有所不同. 因此，筆者考慮將這些題目引入到中學(xué)物理教育開展探究性課題學(xué)習(xí). 本文以2011年IYPT的賽題“跳躍的火焰”為課題，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究，并給出了該課題在中學(xué)進(jìn)行探究的一些建議.

1　題目解讀

“跳躍的火焰”選自第24屆IYPT競賽試題第3題，題目要求：“把火焰(比如本生燈發(fā)出的火焰)放在2個(gè)平行帶電的金屬板間，研究火焰的運(yùn)動(dòng)情況. ”根據(jù)題目給出的信息，“火焰”和“平行帶電金屬板”是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，教師在指導(dǎo)學(xué)生探究時(shí)要圍繞這2個(gè)關(guān)鍵引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考.

1)“平行帶電金屬板”給出的暗示

學(xué)生在學(xué)習(xí)過靜電場知識(shí)后，應(yīng)該會(huì)對“平行帶電金屬板”有一定的認(rèn)知. 教師可以幫助學(xué)生回憶相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生得出這樣的結(jié)論：“平行帶電金屬板間能夠產(chǎn)生勻強(qiáng)電場，而火焰的跳躍可能是這個(gè)電場引起的. ”為此，學(xué)生自然會(huì)進(jìn)一步思考“為什么火焰會(huì)受電場的影響？火焰是什么？”

2)火焰是什么？

關(guān)于火焰是什么有很多種說法，但普遍承認(rèn)的是“火焰是能夠加熱空氣并使之電離的電離劑”和“火焰是等離子體”這2種說法. 教師可以在課題探究前對該問題進(jìn)行簡單說明，在學(xué)生對空氣電離、電離劑和等離子體有初步認(rèn)識(shí)后，讓學(xué)生根據(jù)“火焰受電場影響”這個(gè)結(jié)論，通過查閱資料，總結(jié)出自己對火焰的界定. 通過這個(gè)環(huán)節(jié)既可以為接下來的實(shí)驗(yàn)做理論鋪墊，也可以由此拓展學(xué)生的知識(shí)面.

2　設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與探究

2.1影響因素分析

不同種類的火焰和金屬板間產(chǎn)生的不同的電場強(qiáng)度都可能會(huì)影響火焰的跳躍. 在這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析出可能影響以上2個(gè)條件的主要因素. 針對火焰的種類，教師應(yīng)提示學(xué)生靈活運(yùn)用化學(xué)、熱學(xué)等知識(shí)，分析其影響因素. 實(shí)際上燃燒材料不同，燃燒火焰不同，甚至相同材料的燃燒火焰都是不同的，而中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件有限，只要求學(xué)生用同一根蠟燭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即可. 與電場相關(guān)的內(nèi)容，需要學(xué)生結(jié)合靜電場及平板電容器等知識(shí)，經(jīng)分析大致可以猜測火焰在金屬板間的跳躍與金屬板的材質(zhì)、金屬板間所加電壓以及火焰距金屬板的距離有關(guān).

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

盡管中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中大多都提及“控制變量法”，但學(xué)生可能并未完全掌握，因此實(shí)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)可由學(xué)生完成，讓他們在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中掌握控制變量法. 教師結(jié)合可行性和科學(xué)性對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)與完善. 根據(jù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)影響因素的分析，可選取以下實(shí)驗(yàn)儀器：材質(zhì)分別為鐵、黃銅和鋁的3組直徑R=20 cm、厚度D=1 mm的平行金屬板,直流穩(wěn)壓電源(最大值30 V)，行輸出變壓器(高壓包)，電壓表(量程100 kV). 利用以上儀器進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)探究：

1)在板間距離及金屬板材質(zhì)不變的情況下，改變兩極板間所施電壓；

2)在板間電壓及金屬板材質(zhì)不變的情況下，改變兩極板間的距離；

3)在板間距離及板間電壓不變的情況下，改變金屬板的材質(zhì).

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量

實(shí)驗(yàn)中容易觀察到：火焰在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值后穩(wěn)定. 偏轉(zhuǎn)角的大小與以下2個(gè)因素有關(guān)：

1)金屬板間所加電壓越大，偏轉(zhuǎn)角越大；

2)金屬板間距離越小，偏轉(zhuǎn)角越大.

在仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入探究. 此時(shí)需要教師和學(xué)生共同討論并設(shè)計(jì)出測量火焰偏轉(zhuǎn)角的方法. 本實(shí)驗(yàn)通過錄制視頻并從中截取當(dāng)火焰偏轉(zhuǎn)并穩(wěn)定時(shí)的畫面，對畫面中的火焰進(jìn)行測量，方法如圖1所示.

圖1　火焰偏轉(zhuǎn)角的測量

3　結(jié)果分析

3.1對火焰是什么的分析

針對實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，教師可設(shè)置系列問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論.

問題1：為什么火焰會(huì)在電場中偏轉(zhuǎn)？

這個(gè)問題要求學(xué)生首先了解：火焰的化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生足夠的熱量使溫度達(dá)到使空氣分子電離的條件. 電離：空氣?正離子⊕+自由電子e-.

問題2：為什么火焰總是偏向電勢較低的金屬板？

需要注意的是，火焰電離成正離子和電子后，正負(fù)粒子的總量相等，但由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正離子質(zhì)量，電子將獲得較大的動(dòng)能，更容易脫離蠟燭火焰，由于火焰失去自由電子，火焰中正離子的濃度比自由電子的濃度大，火焰表現(xiàn)出帶正電的屬性，火焰應(yīng)該偏向電勢較低的金屬板[1].

通過設(shè)置類似問題，能讓學(xué)生更有邏輯地分析實(shí)驗(yàn)原理，了解關(guān)于空氣電離條件方面的知識(shí).

3.2對火焰受力分析

由于火焰形狀不規(guī)則且具有流動(dòng)性，中學(xué)生對其進(jìn)行受力分析難度較大. 如果學(xué)生有興趣并且還有余力，可以給學(xué)生補(bǔ)充有關(guān)導(dǎo)數(shù)與積分、動(dòng)量定理、建模、運(yùn)動(dòng)微分方程等知識(shí)，但補(bǔ)充的知識(shí)不能超出學(xué)生所接受范圍過多，應(yīng)在中學(xué)重難點(diǎn)知識(shí)的基礎(chǔ)上稍加進(jìn)階.

3.3火焰的跳躍

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：板間距離固定時(shí)，隨著外加電壓的增加，蠟燭火焰開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而當(dāng)電壓增加至某一值時(shí)，火焰會(huì)開始做振蕩運(yùn)動(dòng). 這是實(shí)驗(yàn)中值得思考的問題. 結(jié)合電風(fēng)吹滅蠟燭火焰的實(shí)驗(yàn)[2]，我們猜想：

1)由于金屬板并非絕對光滑，當(dāng)外加電壓足夠時(shí)，表面的突起會(huì)造成尖端放電，電風(fēng)會(huì)吹動(dòng)蠟燭左右晃動(dòng).

2)由實(shí)驗(yàn)可知板間距離一定時(shí)，電壓越大，蠟燭火焰偏轉(zhuǎn)角越大. 當(dāng)火焰偏轉(zhuǎn)到與金屬板接觸時(shí)，會(huì)放電，火焰失去電性不再偏轉(zhuǎn). 重復(fù)這樣的過程便會(huì)引起火焰振蕩運(yùn)動(dòng).

基于這樣2種或者學(xué)生提出的其他合理猜想，學(xué)生可以進(jìn)行新一輪的實(shí)驗(yàn)探究.

4　結(jié)束語

教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性課題學(xué)習(xí)時(shí)，角色更加復(fù)雜，當(dāng)學(xué)生分析困難時(shí)，是引導(dǎo)學(xué)生向合理的方向進(jìn)行假設(shè)猜想的引路人；當(dāng)學(xué)生的知識(shí)不夠用時(shí)，是傳授學(xué)生適當(dāng)補(bǔ)充知識(shí)的教師；當(dāng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，也是指導(dǎo)學(xué)生正確使用儀器的實(shí)驗(yàn)員. 只有教師更好地融合這些角色后，才能更好地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題探究. 在中學(xué)物理教育中可以適當(dāng)選用類似的探究課題，通過親身經(jīng)歷這樣的探究過程可以增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，促進(jìn)學(xué)生從不同角度看問題，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性.

[1]劉貴興. 蠟燭火焰的靜電實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),1996,16(3):142-143.

[2]任連香，楚雪梅. 關(guān)于電風(fēng)滅焰原理討論[J]. 黑龍江大學(xué)(自然科學(xué)報(bào))，1996,13(3)：69-72.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Why flame jumps between metal plates

JI Jie， LIU Wen， ZHANG Xi-juan

(School of Physics and Technology， Yangzhou University， Yangzhou 225000, China)

“Bouncing flame”, which is one of the problems for IYPT, was discussed in this paper. In view of the physical knowledge of middle school students, the feasibility of taking this kind of problems as experimental research subject was analyzed, and specific methods to analyze the project were presented. With examples, the ways that guided middle school students to find and solve problems were demonstrated.

experimental research; instructional method; IYPT

2016-05-07

中國教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)立項(xiàng)課題(No.YZUJX2013-2A);揚(yáng)州大學(xué)教學(xué)重點(diǎn)課題(No.YZUJX2013-2A)

季潔(1992-)，女，江蘇太倉人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2015級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)科教學(xué).

指導(dǎo)教師：張錫娟(1958-)，女，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，學(xué)士，從事物理學(xué)科教學(xué)工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)09-0044-03