用熱敏紙改進壓縮氣體做功實驗

周靜

摘 要：對“壓縮氣體做功”實驗的歷史沿革進行了回顧，提出了改用熱敏紙進行此實驗的方法和建議。

關(guān)鍵詞：壓縮氣體做功；實驗改進；熱敏紙

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0049-2

1 問題由來

中學物理教學中的“壓縮氣體做功”實驗，是通過將外界機械能轉(zhuǎn)化為實驗儀器內(nèi)空氣的內(nèi)能，從而將實驗儀器中的物質(zhì)點燃的實驗過程。物質(zhì)燃燒的三個必要條件是可燃物、助燃物（氧化劑）和引火源（溫度）[1]。許多教師指出，在課堂上做這個實驗往往不易成功，而且有一定的危險性。下面進行討論。

2 “壓縮氣體做功”實驗的歷史沿革

從二十世紀50年代，中學物理教材就有“壓縮氣體做功”實驗，其采用的是浸有乙醚的棉花?，F(xiàn)行多種版本教材采用其他材料作為燃燒物質(zhì)，部分現(xiàn)行教材對實驗的敘述如表1所示。

②文獻[2]作者所在的浙江溫州地區(qū)采用。

③④筆者所在地區(qū)采用。

2.1 實驗容易失敗的原因分析

實驗容易失敗的原因，筆者認為須從自燃的角度分析。通常不同實驗物質(zhì)自燃點不同，同一種實驗物質(zhì)在不同的條件下自燃點也會發(fā)生變化。實驗物質(zhì)的自燃點越低，實驗成功的概率就越高。液體、氣體的自燃點與壓力、氧濃度、催化、實驗容器的材質(zhì)和表面積、體積比等因素有關(guān)。

有人說利用硝化棉代替蘸少許乙醚的棉花更好，這有待商榷。因為硝化棉是白色絲狀纖維，狀似棉花，露光分解變色，自燃點約為170 ℃，極易燃燒，且速度極快。當環(huán)境溫度超過40 ℃，能加速其分解而自燃[6]。而乙醚是無色透明液體，有特殊刺激氣味，帶甜味，極易揮發(fā)，自燃點約為160 ℃。

對兩種實驗物質(zhì)自燃點的分析，通常容易改變的實驗條件就是對實驗儀器中空氣壓縮程度及壓縮速度的不同，導致實驗物質(zhì)的自燃點的改變，影響到了實驗的成功率。

2.2 危險的改進

文獻[2]的核心意思是提高實驗儀器內(nèi)的含氧量，降低實驗物質(zhì)的自燃點，提高實驗的成功率。但是文獻[2]的作者忽視了實驗的安全性，因為當乙醚中含有過氧化物時，蒸發(fā)后殘留的過氧化物當溫度升到100 ℃以上時能引起強烈爆炸。如此易燃易爆的危險品，文獻[2]的作者居然還敢于加入氧氣助燃，令人心驚。乙醚蒸氣在充氧密閉容器中可能會爆燃或爆炸，著實危險。筆者希望對廣大讀者予以警示，此實驗改進不宜盲目模仿。

3 用熱敏紙做“壓縮氣體做功”實驗

筆者提供一種安全的替代方案，采用熱敏紙?zhí)娲藁ā，F(xiàn)在熱敏紙很容易獲取，銀行、醫(yī)院等機構(gòu)的排隊叫號機打印紙，銀行ATM機憑條等均是熱敏紙。熱敏紙的特點是溫度上升到一定程度，其顏色由白色變成黑色。教師在演示前，將熱敏紙在酒精燈火焰上烤一下，即可看到變色現(xiàn)象，以此向?qū)W生解釋變色現(xiàn)象是由于溫度升高造成的，并且加熱溫度越高、時間越長，顏色越深。撕下一點熱敏紙平放入玻璃筒底，按照通常的實驗操作，即可看到熱敏紙發(fā)黑，表明玻璃筒內(nèi)氣體溫度在壓縮時升高了。熱敏紙的顯色溫度為80～90 ℃[8]，較之上述各種材料的燃點都低，實驗更容易成功。

實驗中，若向下?lián)舸蛩俣群艽蟮脑?，熱敏紙有時也會出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。這也很好理解，紙張的燃點是130～230 ℃，應該比棉花易于成功，但是紙張與空氣的接觸面積比蓬松的棉花少得多，實驗中紙張與空氣的熱傳遞相對困難，不易到達燃點。熱敏紙加熱溫度越低，顯色所需時間越長。改用熱敏紙變色的方式，不需換氣，即可反復壓縮，其相當于增大加熱時間，可補償熱敏紙與空氣的熱傳遞困難所帶來的弊端，使之顯色。

4 結(jié) 語

新課程改革以來，教學愈加重視對學生的人文關(guān)懷，在初中階段，刪除了一些可能危害學生生命安全和身心健康的實驗。中學生是未成年人，教師應該將學生的安全放在首位。用熱敏紙做“壓縮氣體做功”實驗最重要的優(yōu)點是，能夠確保學生安全。

參考文獻：

[1]陸照欣，黃文興.“壓縮氣體做功，使氣體溫度升高”演示實驗的改進[J].物理實驗，2001，21（2）：31

[2]彭國懷.“壓縮氣體做功”實驗改進[J].物理教師， 2017， 38（9）：60.