酒精燈火焰溫度再探究

王寶權(quán)

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)酒精燈的內(nèi)、外火焰的溫度比較進(jìn)行了再探究，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)的系列現(xiàn)象作出了論證和分析。得出了與前不同的結(jié)論，即在通常情況下，酒精燈火焰各部位的溫度高低順序應(yīng)為：底座處的外焰、內(nèi)焰、上部的外焰、焰心。

關(guān)鍵詞：酒精燈；外焰；內(nèi)焰；溫度；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）6–0073–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

閱讀《化學(xué)教學(xué)》2012年第6期第45頁(yè)“比較酒精燈內(nèi)、外焰溫度高低的四種實(shí)驗(yàn)方法”一文后，很感興趣。在文中程曉莉老師介紹了4種檢驗(yàn)酒精燈火焰溫度高低的實(shí)驗(yàn)方法：分別利用酒精燈火焰灼燒火柴梗、加熱等體積的水、加熱試管中的火柴頭和加熱鐵絲網(wǎng)，得出了酒精燈的外焰溫度比內(nèi)焰高的結(jié)論[1]。事實(shí)果真如此嗎？筆者組織學(xué)生分成4個(gè)探究小組分別重復(fù)該實(shí)驗(yàn)的四種方法，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再探究和理論分析，得出了某些不同的結(jié)論。

1 分別改進(jìn)用火柴梗、鐵絲網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)及反思

1.1 重復(fù)原實(shí)驗(yàn)并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析

程老師在文中的實(shí)驗(yàn)方法1和4中均提到實(shí)驗(yàn)成功的訣竅是“火柴梗和鐵絲網(wǎng)距離燈芯上方大約5mm”。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中特意用一把鋼尺測(cè)量了普通酒精燈火焰的高度，測(cè)量結(jié)果如圖1所示（說(shuō)明：由于沒(méi)有使用燈罩，火焰跳動(dòng)得較厲害，為了較精確地測(cè)量火焰各部分的長(zhǎng)度，用手擋住一側(cè)，火焰就能夠平穩(wěn)燃燒了，火焰高度的測(cè)量如果在跳動(dòng)的情況下內(nèi)焰和上部的外焰會(huì)相應(yīng)拉長(zhǎng)一些。）。

從燈芯的端點(diǎn)向上（燈芯超出燈外部分大約為1cm）：焰心對(duì)應(yīng)的刻度為0～2cm，內(nèi)焰對(duì)應(yīng)的刻度為2～3cm，外焰對(duì)應(yīng)的刻度為3～4cm，即焰心的實(shí)際高度為2cm，內(nèi)焰的實(shí)際高度為1cm，而外焰的上部高度為1cm（其實(shí)外焰的真正高度是燈芯外長(zhǎng)度+焰心+內(nèi)焰的火苗+外焰的火苗約為5cm）。由此可見(jiàn)，燈芯上方的5mm完全在焰心對(duì)應(yīng)的刻度為0～2cm的范圍之內(nèi)，這里正是焰心和外部火焰（外焰與內(nèi)焰已合二為一）所共存的部位，故原實(shí)驗(yàn)1和4實(shí)際上比較的是焰心和外部火焰的溫度高低，不能據(jù)此得出“外焰溫度大于內(nèi)焰”的結(jié)論。要比較內(nèi)焰和外焰的溫度高低，必須把火柴?；蜩F絲網(wǎng)平放入的高度抬高到2～3cm刻度范圍內(nèi)（如圖2中的位置“2”），再重復(fù)上述操作進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)如表1所示，這樣設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)才是比較周全的，得出的結(jié)論才是真實(shí)可靠的。

通過(guò)重做原實(shí)驗(yàn)1和4，我們發(fā)現(xiàn)原實(shí)驗(yàn)1和4只能得出“焰心的溫度是明顯低于外部火焰”的結(jié)論，而無(wú)法證明“外焰溫度高于內(nèi)焰”；而通過(guò)我們補(bǔ)充的上面兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，可以排除焰心的干擾，卻得出“內(nèi)焰的溫度高于外焰”的截然相反的結(jié)論。

1.2 實(shí)驗(yàn)后的反思

火柴梗實(shí)驗(yàn)雖然經(jīng)常出現(xiàn)在一些教輔資料的題目甚至教科書(shū)中，但其實(shí)使用火柴梗除了有以上的擺放位置不確切的誤導(dǎo)外，還有一個(gè)缺點(diǎn)：火柴梗作為易燃物，在酒精燈的火焰上受熱是很易燃著的，根本用不了3秒就會(huì)燃燒起來(lái)，若不仔細(xì)觀察、比較，則很難看出哪里先炭化?？勺饕韵赂倪M(jìn)：把火柴梗改為一段鐵條，分別放在火焰的上部（外焰與內(nèi)焰并存但沒(méi)有焰心處）和下部（外部火焰與焰心共存處）進(jìn)行灼燒，可以清楚地觀察到火焰上部：內(nèi)焰段鐵條先紅熱、外焰段鐵條后紅熱；火焰下部：外部火焰段先紅熱、焰心部分較長(zhǎng)時(shí)間不能紅熱。以上是采用直線狀的鐵條作為實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)際也可以延伸到使用平面狀的鐵絲網(wǎng)即程老師所述采用“石棉網(wǎng)一角的鐵絲網(wǎng)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但無(wú)論使用何種材料，放入火焰的位置應(yīng)該科學(xué)、周到（至少要放兩個(gè)位置：上面和下面各一次），不能“以偏概全”。

2 對(duì)加熱水和火柴頭實(shí)驗(yàn)的探究和反思

2.1 重復(fù)原實(shí)驗(yàn)并探析

重復(fù)原實(shí)驗(yàn)2和3：用10mL量筒量取3mL水兩次，分別倒入兩個(gè)外形相同且較細(xì)小的試管中，如圖3（即原文圖2）和圖4（即原文圖3）所示分別用內(nèi)焰和外焰加熱；取一個(gè)較細(xì)小的試管，如圖5（即原文圖4）和圖6（即原文圖5）所示：將火柴頭向下裝入，用試管夾夾住試管，讓火柴頭分別處在酒精燈的內(nèi)焰和外焰處加熱，并計(jì)時(shí)。

實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)盡管程老師強(qiáng)調(diào)了使用細(xì)小的試管，但能裝入3mL的水并進(jìn)行加熱的試管其容積至少要9mL，其底面積還是較大的，并且向上傾斜45°的加熱方式和加熱的習(xí)慣等因素決定了圖3和圖5中的試管很容易觸及或靠近焰心，而圖4和圖6中的試管很容易觸及或靠近內(nèi)焰，因?yàn)楫吘箖?nèi)焰和外焰的長(zhǎng)度都只有1cm。從圖3和圖5所示的所用火焰的位置也不難看出，這兩張圖都使用了焰心和內(nèi)焰的交界處的火焰進(jìn)行加熱，而圖4和圖6都使用了外焰和內(nèi)焰的交界處的火焰進(jìn)行加熱，很明顯前者（焰心與內(nèi)焰交界處火焰）的溫度肯定小于后者（內(nèi)焰與外焰交界處火焰），所以程老師得到如原文中所述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就不難理解了。因此同樣不能說(shuō)明外焰的溫度高于內(nèi)焰，只是證明了外焰的溫度大于焰心而已，之所以產(chǎn)生這樣的偏差同樣是實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)后的反思

實(shí)驗(yàn)時(shí)如何避免不同區(qū)域的火焰的干擾？可以做以下改進(jìn)：取一段細(xì)條狀鋁片、用鑷子或坩鍋鉗夾持，平著伸入內(nèi)焰和外焰處（距燈芯約25mm處）加熱，可以發(fā)現(xiàn)使用內(nèi)焰加熱的那段先變軟成為懸掛狀，經(jīng)改進(jìn)可以有效避免由于試管的傾斜角度較大以及底面積較大而“不小心”觸及焰心上部和內(nèi)焰上部而造成的實(shí)驗(yàn)干擾，也可以得出“內(nèi)焰溫度高于外焰”的結(jié)論。

3 依據(jù)火焰顏色和數(shù)字化儀器測(cè)定具體數(shù)據(jù)的分析

3.1 光譜和能量的角度

有研究表明[2]光譜和能量的關(guān)系是：紅橙黃綠青藍(lán)紫，從左往右的能量逐漸增加。仔細(xì)觀察酒精燈的火焰可以發(fā)現(xiàn)：燃燒時(shí)的火焰除了各部位的尺寸比例與通常的示意圖有很大的差別外，顏色也與教材和教輔資料上提到的淡藍(lán)色大有不同。據(jù)我們觀察大概分為四個(gè)部分：由下向上燈芯周?chē)鸀榈{(lán)色，焰心為暗透明色，內(nèi)焰為黃色，最上部的外焰是橙紅色的。焰心部分是透明的（紅外線），說(shuō)明此處等離子輻射的能量不是很多，輻射的溫度也不是很高。最上部的外焰是橙紅色的，所以等離子輻射的能量要比焰心多，溫度也比焰心處高一些，而內(nèi)焰是黃色的，溫度則更高，而最下部的外焰是淡藍(lán)色，說(shuō)明此處等離子輻射的能量最多，溫度最高。由于我們平時(shí)使用的火焰大多是內(nèi)外焰交界部分，下方的淡藍(lán)色的外焰由于“位置不佳”往往被我們忽視了。我們采用在酒精燈的火焰中豎著插入鐵絲網(wǎng)（可用石棉網(wǎng)的一角）的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，可清楚地觀察到淡藍(lán)色的下部外焰處鐵絲網(wǎng)最先紅熱，其次是顯黃色的內(nèi)焰處，再次是頂部的外焰顯橙紅色的部分，焰心部分短時(shí)間內(nèi)看不出紅熱。

3.2 數(shù)字化儀器測(cè)試數(shù)據(jù)的角度

另有研究表明用溫度傳感儀測(cè)試[3]酒精燈三層火焰溫度的高低順序?yàn)椋貉嫘?lt;外焰<內(nèi)焰，其平均溫度分別為焰心598℃、外焰667℃、內(nèi)焰783℃；內(nèi)焰最高溫度可達(dá)867℃。長(zhǎng)期以來(lái)，一般都認(rèn)為酒精燈的外焰溫度最高，認(rèn)為酒精蒸氣在外焰燃燒最充分，然而恰恰正是由于外焰與外界大氣充分接觸，所以燃燒時(shí)與環(huán)境的能量交換最充分，熱量散失也最多，從而導(dǎo)致外焰溫度低于內(nèi)焰。若在酒精燈火焰外罩上燈罩可使外焰溫度提高100℃左右，但即使這樣，從上面的數(shù)據(jù)可知外焰的溫度仍然低于內(nèi)焰。

4 結(jié)論及思考

4.1 結(jié)論

我們通過(guò)直接觀察、借助放大鏡觀察、拍照片觀察等方法對(duì)酒精燈的火焰的構(gòu)造進(jìn)行了研究，其結(jié)構(gòu)并不像我們平時(shí)在網(wǎng)上搜索的示意圖那樣像個(gè)洋蔥頭（如圖7即原文中的圖1），而更像一個(gè)亭亭玉立的細(xì)長(zhǎng)型的小竹筍（如圖8所示）。

火焰在燈芯以下的周?chē)](méi)有明顯地分成三層，而是均產(chǎn)生淡藍(lán)色的底座火焰，超過(guò)燈芯的部分開(kāi)始出現(xiàn)焰心、外焰同時(shí)逐漸分離出內(nèi)焰，因此外焰是從底座到頂部完整的一個(gè)包圍圈，而不應(yīng)該只指最上部的那一段，而目前的研究和教學(xué)主要分析的是最上面一段。結(jié)合火焰顏色與溫度的關(guān)系以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究可得以下結(jié)論：通常情況下酒精燈火焰的溫度順序?yàn)椋旱鬃幍耐庋?gt;內(nèi)焰>上部的外焰>焰心。

4.2 思考

在課堂教學(xué)中我們采用分組探究的形式對(duì)酒精燈火焰溫度進(jìn)行了探究，4個(gè)探究小組分別重復(fù)了程老師所設(shè)計(jì)的4種不同的方法。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)往往能發(fā)現(xiàn)教師平時(shí)發(fā)現(xiàn)不了的問(wèn)題，因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有教師那么多的實(shí)驗(yàn)固有思維，學(xué)生往往膽子比較大，敢于嘗試，通常會(huì)因“錯(cuò)”得福。例如：在本文的火柴梗和鐵絲網(wǎng)實(shí)驗(yàn)探究中，有部分學(xué)生沒(méi)有按照教師的實(shí)驗(yàn)成功的訣竅：“火柴梗和鐵絲網(wǎng)距離燈芯上方大約5mm”去做，而是放在了其他的位置，得到了與“成功現(xiàn)象”所不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，難道他們的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就是不成功的現(xiàn)象？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)時(shí)在一定條件下產(chǎn)生的客觀的事實(shí)，怎么能說(shuō)它是“不成功的現(xiàn)象”呢？什么是成功的訣竅？難道只有得出“外焰溫度大于內(nèi)焰”才是成功？當(dāng)我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了更多的不同于我們想要的那個(gè)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，難道我們就該懷疑它們都是假象？或者說(shuō)否定它們都是失敗的現(xiàn)象？并對(duì)它們熟視無(wú)睹、視若惘聞嗎？這顯然不是實(shí)驗(yàn)探究的真正意義或價(jià)值所在。其實(shí)既然有“實(shí)驗(yàn)成功的訣竅”，就說(shuō)明只有在滿足“訣竅”的個(gè)別條件下才能“成功”，也恰恰證明了這個(gè)“訣竅和成功”不具有普遍性，經(jīng)不起推敲，故實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該存在一定的問(wèn)題。如果帶著固有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論或應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去試驗(yàn)，那就是“照方抓藥”式的虛假探究，那也是“前概念”中毒太深。“前概念”并非都是真理，有的“前概念”會(huì)對(duì)學(xué)生或者教師后面的學(xué)習(xí)或教學(xué)帶來(lái)不利的影響。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究[4]轉(zhuǎn)變“前概念”中的不利影響不失為一種有效的教學(xué)策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的事實(shí)，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，進(jìn)而敢于質(zhì)疑“前概念”，從而逐漸推翻不正確的“前概念”。抓住教材上的一句話奉為真理的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，因?yàn)闆](méi)有絕對(duì)的真理，凡事都是在發(fā)展變化的。關(guān)鍵是教師敢于將真實(shí)的、復(fù)雜的現(xiàn)象作為教學(xué)情境，以學(xué)生為本，真正發(fā)揚(yáng)民主、科學(xué)的作風(fēng)，努力提升學(xué)生敢于質(zhì)疑、敢于批判的嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)品質(zhì)和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題等核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]程曉莉.比較酒精燈內(nèi)、外焰溫度高低的四種實(shí)驗(yàn)方法[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（6）：45.

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[4]胡翠紅.初中生前科學(xué)概念的探索與研究[J].化學(xué)教學(xué)，中華現(xiàn)代教育，2007，（1）：52.