探究隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙的成功率

鄧?yán)^紅 丁偉 王祖浩 王政 何轉(zhuǎn)有

摘要： 探究隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時(shí)的白煙的成功概率。通過對照實(shí)驗(yàn)，揭示主要因素為棉芯粗細(xì)、熄滅方式、白煙采集方式。較理想做法為選擇粗棉芯蠟燭，用嘴垂直向下快速吹滅，用頸短腹大的合適漏斗，用初測成功的蠟燭。用自制中漏斗，粗蠟燭燃燒1min以上可達(dá)100.0%，中、細(xì)蠟燭（有粗、細(xì)棉芯兩種）燃燒時(shí)間>6min，棉芯較長，成功概率為80.0%～100.0%。拓展了該實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞： 蠟燭; 棉芯粗細(xì); 熄滅方式; 白煙采集; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2018）3007305 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出與現(xiàn)有研究

《化學(xué)》（九年級）上冊有探究實(shí)驗(yàn)“點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙” [1]。怎樣才更可觀察到點(diǎn)燃的是白煙而不是棉芯？怎樣才更容易成功點(diǎn)燃？教師用書 [2]提示，粗蠟燭更容易成功。趙紅 [3]等使用自制粗棉芯蠟燭來產(chǎn)生更多白煙。魏少興 [4]用酒精燈帽蓋滅、鄭興珍 [5]等用倒扣的漏斗收集白煙隔空點(diǎn)火在可觀性上取得顯著效果。本實(shí)驗(yàn)旨在探究隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙的理想條件，以期提高該演示實(shí)驗(yàn)的成功概率。

蠟燭由石蠟等組成，

石蠟主要成分是22、 28烷。點(diǎn)燃蠟燭需先點(diǎn)燃棉芯，放熱使之熔化、氣化為石蠟蒸氣。燭芯上吸有蠟油，彎曲燃燒更完全，太直會(huì)結(jié)炭，太細(xì)易出淚，太粗易出煙 [6]。1820年法國人巴歇列發(fā)明了三根棉線編的燭芯，使之自然松開。有文獻(xiàn) [7]報(bào)道，用比燭焰稍大的玻璃管等套住焰心，在上端10cm外仍可點(diǎn)燃;也有用鋁箔管條收集燭芯的蒸氣的“子母共燃”實(shí)驗(yàn) [8][9][10]。

2 實(shí)驗(yàn)用品與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)采用的蠟燭和漏斗見圖1。市售的蠟燭分為細(xì)A[1.5（cm），5中線（分別為直徑、棉芯數(shù)目，下同）];細(xì)B（1.5， 8中線）;中（1.8， 7中線）;粗（2.2， 8股×4細(xì)線）。漏斗類型分為市售大號[10（cm）， 4（cm），約1（cm 2），塑料（分別為底直徑、頸長、頸孔、材質(zhì)，下同）];自剪的中號（8， 3， 1，塑料或錫紙）;實(shí)驗(yàn)室的普通（8， 3， 0.5，玻璃）;一次性杯剪孔（8， 0.1， 1，塑料）漏斗。

圖1 實(shí)驗(yàn)采用的蠟燭和漏斗

2.2 研究假設(shè)

根據(jù)作者和本科組陳尤、黃立紅等老師的教學(xué)實(shí)踐和文獻(xiàn)資料 [11， 12]提出研究假設(shè)。分為三個(gè)主階段： 產(chǎn)生足夠的石蠟蒸氣;收集聚攏管束狀態(tài)的、濃度大的白煙;迅速點(diǎn)燃白煙。除去不可控的因素，影響隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙的成功率的因素，假設(shè)有如下幾點(diǎn)： A.石蠟受熱面積。如蠟燭的粗細(xì)、棉芯的粗細(xì);并攏的蠟燭根數(shù);初始棉芯長度;B.蠟燭燃燒時(shí)間。時(shí)間太短，石蠟蒸氣不足;C.熄滅蠟燭方式。D.采集白煙方式。本文中點(diǎn)火方式均為用燃著的蠟燭嘗試點(diǎn)燃白煙。固定其他因素，分別探究三個(gè)階段各環(huán)節(jié)最佳條件。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 細(xì)A蠟燭的對照實(shí)驗(yàn)

3.1.1 細(xì)A蠟燭的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對細(xì)A蠟燭的八組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和成功概率見表1。其中熄滅方式為： ①用嘴隨機(jī)方向吹滅;②用嘴垂直向下快速吹滅;③用塑料蓋蓋滅;④用普通漏斗壓滅。

3.1.2 細(xì)A蠟燭實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

其他條件相同的情況下，第二組棉芯長1.5cm、 1.2cm概率分別為38.9%、 22.2%;1根為41.7%， 2根為25.0%，可見，1.5cm的起始棉芯長度（稍長）成功概率高一些。起始棉芯長度在燃燒數(shù)分鐘后發(fā)生變化，安靜地燃燒棉芯會(huì)增長一些。第三組火源距離棉芯1、 2、 2cm分別是100.0%、 0、 100.0%，可見，隨機(jī)嘴吹的氣流比較急促時(shí)，白煙逆向回流;氣流緩慢時(shí)，白煙順氣流飄走。可預(yù)測，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，蠟燭的白煙高效上飄能較全面被收集。從第一、四組可見，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，比起用嘴隨機(jī)方向（橫或斜）吹滅蠟燭，成功概率高約一倍。由五組可見，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭的方式較好，原因一是使棉芯周邊的液態(tài)石蠟更多轉(zhuǎn)化為白煙;二是因?yàn)榭焖伲谉熌嫦蛏巷h，贏取了時(shí)間，利于用漏斗采集更多的白煙。由六組可見，選擇中漏斗比普通漏斗較容易成功。經(jīng)后期粗蠟燭使用錫紙漏斗和一次性杯剪孔漏斗的比較，發(fā)現(xiàn)中漏斗成功率還是比普通漏斗高。可推測，是因?yàn)樗芰现新┒犯共靠臻g容量較大，頸長較短，頸孔稍大所致。細(xì)A蠟燭燃燒時(shí)間少于3min，成功概率普遍較低，多次、多組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若燃燒時(shí)間超過5min效果會(huì)好得多。對照第四組、第一組棉芯1.5cm的（1～3min， 30.0%）和第三、五、六組（>6min， 50.0%）數(shù)據(jù)，結(jié)合多次試驗(yàn)結(jié)果可知，細(xì)A蠟燭，燃燒時(shí)間超過5min會(huì)好得多，如超過6min更容易成功。

2根蠟燭并攏燃燒，石蠟受熱面積雖增大，但白煙濃度沒有增大，即使同時(shí)增大漏斗，成功概率也不高。無漏斗時(shí)點(diǎn)火并不是距離棉芯越近越容易成功。蓋滅后再倒扣漏斗，白煙散去一部分;側(cè)壓滅時(shí)，白煙產(chǎn)生較少。

3.2 細(xì)B蠟燭的對照實(shí)驗(yàn)

細(xì)A、 B蠟燭主要是棉芯粗細(xì)不同。第九組實(shí)驗(yàn)使用1根細(xì)B蠟燭，棉芯自然長度約為1.4cm，燃燒時(shí)間>6min，吹滅方式和漏斗不同，其中一次性杯底部剪孔小于1cm 2為超短頸漏斗。8組每組5根測一次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2（用spss軟件制圖）。

圖2 細(xì)B蠟燭實(shí)驗(yàn)成功率

結(jié)果表明，細(xì)B蠟燭無漏斗點(diǎn)燃，橫或斜著吹滅成功率比較高。有漏斗（60.0%）比無漏斗（50.0%）總概率高。有漏斗，垂直向下吹滅比較好。垂直向下快速吹滅，漏斗頸越短成功率越高。

累計(jì)有漏斗時(shí)的3組垂直向下吹的成功概率與橫或斜著吹滅的比例為2∶1，第一、四組的成功概率也是2∶1。說明有漏斗，不管棉芯粗細(xì)，燃燒時(shí)間長短，垂直向下吹滅蠟燭均可以提高大約一倍的成功概率。

3.3 粗蠟燭的對照實(shí)驗(yàn)

3.3.1 粗蠟燭的成功率實(shí)驗(yàn)

第十組實(shí)驗(yàn)粗蠟燭棉芯自然長度約1.4cm，燃燒時(shí)間>4min，吹滅方式和漏斗不同。結(jié)果見圖3，共8組每組5根對比實(shí)驗(yàn)。錫紙貼著中漏斗外圍按壓而成。

圖3 粗蠟燭實(shí)驗(yàn)成功率

粗蠟燭產(chǎn)生的白煙既快又多。結(jié)合錫紙中漏斗分析，普通漏斗腹部容量較小、頸長且頸孔細(xì)，白煙易飄散。中漏斗效果相當(dāng)好，有類似效果的是一次性杯剪孔漏斗。配合垂直向下快速吹滅，成功率均可達(dá)100.0%。

3.3.2 對照粗、中、細(xì)蠟燭的成功率

第十一組實(shí)驗(yàn)粗、中、細(xì)蠟燭比較。實(shí)驗(yàn)燃燒時(shí)間4min以上，垂直向下吹滅，繼續(xù)做了4組中、細(xì)A蠟燭的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 粗、中、細(xì)蠟燭的實(shí)驗(yàn)成功率

垂直向下吹滅，使用中漏斗采集白煙，結(jié)合細(xì)A四組、五組，從本組實(shí)驗(yàn)可知： 燃燒時(shí)間足夠（>6min）有利于提高中、細(xì)蠟燭的成功概率。

3.3.3 對照粗蠟燭燃燒時(shí)間的影響

第十二組實(shí)驗(yàn)研究粗蠟燭合適的燃燒時(shí)間。垂直向下吹滅蠟燭，使用塑料中漏斗采集白煙，對3根粗蠟燭分別在約48、 86、 135s熄滅后均點(diǎn)燃了白煙;2根并攏的細(xì)A蠟燭在約2.5、 4、 5min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)均沒被點(diǎn)燃。粗蠟燭燃燒近1min，石蠟表面可全部溶解，表面完全液化后有較高的成功率。而2根細(xì)A蠟燭并攏燃燒2.5～5min效果也不理想。石蠟受熱面積相同，棉芯粗和棉芯細(xì)效果截然不同。棉芯粗焰心大，石蠟蒸氣多，而棉芯細(xì)，火焰小，石蠟蒸氣少，兩者熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙明顯不同，棉芯粗白煙多而濃。

3.4 各種蠟燭的總成功概率實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

第十三組實(shí)驗(yàn)： 1根細(xì)A蠟燭（直徑1.5cm，棉芯線5中線），棉芯1.5cm，燃燒時(shí)間>6min，用嘴隨機(jī)方向吹滅蠟燭，用腹部較大的、頸長約3cm、頸孔約1cm 2的自制塑料中漏斗迅速采集并點(diǎn)燃白煙，5組各10根蠟燭測二次。成功概率約60.0%，對首次成功的二測可達(dá)70.0%以上。第十四組實(shí)驗(yàn)： 改用嘴垂直向下吹滅蠟燭，2組各10根蠟燭測二次。一測總概率為75.0%（四分之三），對首次成功的二測可達(dá)80.0%，這可能與其棉芯長度比較長、可形成的焰心容積比較大、蒸氣多有關(guān)，也可能與其成分有關(guān)。課前7min試做成功的蠟燭，教師帶兩根去演示，可保證至少一支蠟燭實(shí)驗(yàn)成功。

第九組1根細(xì)B蠟燭（直徑1.5cm，棉芯線8中線）棉芯自然長度約為1.4cm，燃燒時(shí)間>6min，用嘴垂直向下吹滅蠟燭，采用塑料中漏斗，點(diǎn)亮的概率為80.0%。若不用漏斗，橫或斜著吹滅有80.0%，使用一次性杯剪孔漏斗可達(dá)100.0%。不管棉芯粗細(xì)，燃燒時(shí)間長短，有漏斗時(shí)，垂直向下吹滅蠟燭概率均可提高約一倍。

第十組粗蠟燭（直徑2.2cm，棉芯線4細(xì)線×8股）、中蠟燭（直徑1.8cm，棉芯線7中線）各1根，棉芯自然長度約1.4cm，燃燒時(shí)間>4min，垂直向下吹滅蠟燭，采用塑料中漏斗，粗蠟燭點(diǎn)燃的概率為100.0%。無漏斗，粗蠟燭橫或斜著吹滅成功概率有90.0%。中蠟燭點(diǎn)燃的概率僅為20.0%。本組中蠟燭實(shí)驗(yàn)再結(jié)合第二、四組和第三、五、六、十一組細(xì)A、粗蠟燭的分析，可知燃燒時(shí)間足夠（>6min）對于中、細(xì)蠟燭的成功很重要。

點(diǎn)燃剛熄滅的蠟燭的白煙，使用的點(diǎn)火方式對實(shí)驗(yàn)影響不大。用燃著的蠟燭點(diǎn)火要注意防止蠟油滴到棉芯上?；鸩癜舳梯^快燃光。棉簽棒干燥、長度合適是較好的選擇。粗蠟燭棉芯過短，也可能導(dǎo)致失敗。粗蠟燭、粗棉芯容易形成濃度大的白煙還有一個(gè)原因是溶解的蠟油凹陷深度大。細(xì)蠟燭可用水浴冷卻蠟燭形成深凹陷形狀來進(jìn)行實(shí)驗(yàn) [13]。粗蠟燭棉芯除了棉線還有一根類似塑料的透明膠線，使燃燒過程有黑煙和較難聞氣味，是課堂分組實(shí)驗(yàn)沒被采用的原因。

4 結(jié)論與反思

4.1 探究隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙的概率實(shí)驗(yàn)結(jié)論

隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙，成功概率主要跟采用的蠟燭棉芯粗細(xì)、吹滅蠟燭的方向、采集白煙的漏斗形狀緊密相關(guān)。采用1根蠟燭即可，用嘴垂直向下較快速吹滅蠟燭，采用頸孔適中頸短腹部大（底部直徑約8cm，為蠟燭直徑3～6倍）、頸短（<3cm）、頸孔適中（略<1cm 2）的中漏斗比較理想，使用曾經(jīng)成功的蠟燭復(fù)測可提高概率。中、細(xì)蠟燭燃燒時(shí)間>6min、棉芯線較長（約1.5cm）比較理想，粗蠟燭只需燃燒1min以上即可。操作如圖5。

圖5 點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅的白煙的高成功率做法

4.2 研究結(jié)論

綜上，石蠟蒸氣多，則白煙多。焰心大，則白煙多。白煙自然流向是隨風(fēng)飄走，氣流急則逆向飄回。白煙流向一致易于形成大濃度，利于點(diǎn)燃。保持濃度大的白煙并使之暢通流動(dòng)，為采集白煙的合適的容器。產(chǎn)生白煙階段，棉芯越粗越有利，棉芯細(xì)的要燃燒足夠長時(shí)間（>6min）效果才稍好;棉芯稍長且直有利。滅火階段，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭的方式比蓋滅、壓滅方式更多地把蠟油轉(zhuǎn)化為蒸氣，可使白煙成聚攏狀態(tài)、濃度較大地上飄。收集白煙階段，用腹部容量稍大、頸稍短的漏斗成功率高。點(diǎn)火應(yīng)及時(shí)迅速，在白煙散開前點(diǎn)燃。

4.3 反思與討論

姚孟建 [14]用透明塑料管套住短蠟燭來使蠟燭復(fù)燃的實(shí)驗(yàn)正好驗(yàn)證垂直下吹的做法是有效的。王寶權(quán) [15]用鐵絲網(wǎng)隔離白煙來點(diǎn)燃的效果和一次性杯剪孔漏斗的短頸原理是一致的。從本實(shí)驗(yàn)還可以很好地解釋為什么用嘴吹滅酒精燈（同為蒸氣燃燒，棉芯非常粗）是很危險(xiǎn)的。

對初入學(xué)的77名高中學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為“化學(xué)實(shí)驗(yàn)一定要在講臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室做的”有18人（23.4%），“化學(xué)實(shí)驗(yàn)一定要老師帶領(lǐng)下才能做的”有29人（37.7%），故提高全民化學(xué)素養(yǎng)亟需改變化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀念。本實(shí)驗(yàn)除了作為高效的課堂演示實(shí)驗(yàn)外，也可以作為家庭趣味實(shí)驗(yàn)、魔術(shù)實(shí)驗(yàn)、DIY實(shí)驗(yàn)來設(shè)計(jì)開發(fā) [16]。石蠟熔化溫度低，棉芯容易獲得，通過水浴加熱可自制粗棉芯的、加香薰油的、有焰色反應(yīng)效果的、營造節(jié)慶氛圍的蠟燭等。除了從塑料罐中剪切漏斗，還可以用錫紙、鋁箔等制作各種形狀的采集白煙的容器。

上世紀(jì)九十年代電線還沒有普及到農(nóng)村家庭時(shí)，自制的照明煤油燈棉芯是很粗的，有的棉片條O型包裹在金屬圈內(nèi)處于焰心環(huán)境溫度低是不怎么需要更換的。推測文獻(xiàn)中介紹的子母共燃實(shí)驗(yàn)的成功率可以從改變棉芯形狀（如燃?xì)庠畎鉕型）以增大焰心容積的角度改進(jìn)。感興趣的學(xué)生可以探究沒棉芯的蠟燭能否燃燒（設(shè)法熔化石蠟有蒸氣產(chǎn)生則可燃），從而理解為什么旺火炒菜鍋里可

能會(huì)著火（油脂蒸氣可燃）。耐高溫玻璃尖管和注射器吸取焰心蒸氣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn) [17]，加上攝影技術(shù)應(yīng)可以輔助捕捉白煙形成和燃燒的微觀慢過程。

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