“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002) 彭春艷 張 羿 李德前

現(xiàn)行蘇科版9年級(jí)物理教材第12章 (機(jī)械能和內(nèi)能)的第4 節(jié) (機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化)編排了演示實(shí)驗(yàn)“點(diǎn)火爆炸”,通過(guò)長(zhǎng)柄電子打火器引燃酒精蒸汽,燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓氣體對(duì)塑料盒蓋做功,從而說(shuō)明 “內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”,并為后續(xù)的四沖程熱機(jī)做功原理做好鋪墊。

該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象明顯,視覺(jué)效果很好,但也存在一些不足。筆者在教學(xué)中對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新,并取得了顯著的教學(xué)效果。

1 原實(shí)驗(yàn)的不足

1.1 實(shí)驗(yàn)用品稀缺

目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)裝備中并沒(méi)有配備該實(shí)驗(yàn)所需的器材,有關(guān)的實(shí)驗(yàn)用品均是科學(xué)儀器的替代品。在日常生活中,要找到盛裝膠卷的塑料盒、電子打火槍等多有不便,而要找到透明的塑料膠卷盒就更難了。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置不穩(wěn)

電子打火器前端的金屬桿是通過(guò)塑料盒底部插入塑料盒內(nèi)的(見(jiàn)圖1),由于塑料盒底部較薄而金屬桿相對(duì)較粗,將兩者的連接處固定起來(lái)實(shí)屬不易,因而造成實(shí)驗(yàn)裝置不穩(wěn)定,爆炸室的氣密性得不到保證。

圖1 教科書(shū)上“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)成功率不高

在點(diǎn)火引燃酒精蒸汽后,常會(huì)出現(xiàn)爆鳴聲小、塑料盒蓋彈飛的距離近等不理想情況;有時(shí)爆炸的強(qiáng)度過(guò)大,還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)塑料盒被彈飛。

另外,實(shí)驗(yàn)裝置的不穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的偶然性,增加了教師實(shí)驗(yàn)時(shí)的膽怯心理,影響了正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

近年來(lái),很多中學(xué)教師對(duì) “點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化。在同行的啟發(fā)下,筆者基于 “材料易得、裝置固定、過(guò)程可控、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯”等要素,對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

塑料注射器的針筒及膠塞、壓電陶瓷點(diǎn)火器(取自廢舊的一次性打火機(jī),見(jiàn)圖2)、橡膠塞或軟木塞、強(qiáng)力膠水、酒精(或汽油、天然氣、氫氣等)。

圖2 壓電陶瓷點(diǎn)火器

2.2 裝置研制

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3,其研制的主要過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖3 新設(shè)計(jì)的“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)裝置

(1)準(zhǔn)備1 個(gè)塑料注射器(50 mL、30 mL、20mL規(guī)格的均可),抽掉芯桿,保留塑料針筒。用美工刀片截去針筒的最前端(見(jiàn)圖4－A),如果切口處不平整則要打磨幾下;然后在針筒頂端的外壁裹上幾圈1cm 寬的透明膠帶,以防燃?xì)獗〞r(shí)將塑料針筒崩裂。

圖4 爆炸裝置的研制過(guò)程

(2)找1個(gè)一次性打火機(jī),輕輕取出上面的壓電陶瓷點(diǎn)火器(確保能正常打火),并在壓電陶瓷的金屬柱上連接一段長(zhǎng)約5cm 的細(xì)導(dǎo)線;在距離塑料針筒翼狀底部2～3cm 的筒壁上扎2個(gè)細(xì)孔(兩孔間距1cm 左右),再將壓電陶瓷的正、負(fù)極導(dǎo)線穿過(guò)筒壁,插入針筒內(nèi),露出來(lái)的導(dǎo)線長(zhǎng)約1.5cm即可(見(jiàn)圖4－B)。

(3)用絕緣膠布將壓電陶瓷的中下部緊緊的、嚴(yán)實(shí)的裹在針筒上(見(jiàn)圖4－C),確保壓電陶瓷上裸露的金屬體沒(méi)有暴露出來(lái),否則將影響下一步實(shí)驗(yàn)時(shí)打火極點(diǎn)正常放電。

(4)從上述注射器的芯桿上取下配套的膠塞,然后在膠塞的側(cè)面一圈涂上強(qiáng)力膠水,再將其塞入針筒的下端口(見(jiàn)圖4－D),要確保膠塞與針筒內(nèi)壁牢固地粘在一起,以防爆炸時(shí)膠塞反向沖出來(lái)。

(5)準(zhǔn)備幾個(gè)與注射器針筒上端口配套的塞子(橡皮塞或葡萄酒瓶上的軟木塞均可),作為爆炸器的蓋子(見(jiàn)圖4－E),至此點(diǎn)火爆炸裝置就研制好了。

2.3 爆炸實(shí)驗(yàn)

(1)左手拿著爆炸器,右手向針筒內(nèi)滴入2～3滴酒精(或汽油),然后立即將塞子塞到針筒的上端口。待酒精充分揮發(fā)后,再按下壓電陶瓷撞擊柱進(jìn)行點(diǎn)火,隨即“嘭”的一聲巨響,橡皮塞(或軟木塞)被炸飛。據(jù)此現(xiàn)象,容易得出“內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”“物體對(duì)外做功時(shí)內(nèi)能減少”等結(jié)論。

(2)如果使用燃?xì)?如氫氣、天然氣)進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn),可以直接將適量的燃?xì)馔ㄈ脶樛矁?nèi),再立即將塞子塞到針筒的上端口,接著打火,燃?xì)饬⒓幢灰?在強(qiáng)烈的爆炸聲中,塞子被彈向遠(yuǎn)處。據(jù)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,也可以得出與上述實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)論,而且也拓展了學(xué)生的知識(shí)面。

2.4 注意事項(xiàng)

(1)選用廢舊的一次性注射器,必須經(jīng)過(guò)消毒處理后才能使用。

(2)做演示實(shí)驗(yàn)的爆炸裝置,可以選用50mL注射器的針筒;作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的爆炸裝置,可以選用20mL注射器的針筒。

(3)每次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備點(diǎn)火時(shí),都要提醒學(xué)生做好“有驚無(wú)險(xiǎn)”的思想準(zhǔn)備,以免突如其來(lái)的爆炸給學(xué)生造成傷害。另外,要提醒學(xué)生如果在家中做此實(shí)驗(yàn),必須有家長(zhǎng)在場(chǎng),以防釀成事故。

(4)有關(guān)點(diǎn)火爆炸的實(shí)驗(yàn)裝置,不建議做成“槍支外形”,以免涉嫌違反我國(guó)槍支管理法,造成不必要的麻煩。

(5)使用酒精作為爆炸的燃料,酒精濃度必須達(dá)到70%以上;如果實(shí)驗(yàn)時(shí)氣溫較低,為了加快酒精揮發(fā),可以將手搓熱,再手握針筒加熱酒精一會(huì)兒。

(6)使用燃?xì)膺M(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn),在將燃?xì)馔ㄈ脶樛矔r(shí),如果燃?xì)饷芏缺瓤諝庑?如氫氣、天然氣),則需將針筒倒立進(jìn)行實(shí)驗(yàn);如果燃?xì)饷芏缺瓤諝獯?如液化石油氣、打火機(jī)氣),則針筒要正立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)巧妙利用“組合法”,使爆炸裝置固定,可以反復(fù)使用,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全,實(shí)驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)便,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯,有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)“做功改變內(nèi)能”“內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能”等知識(shí),從而突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)。

(3)該裝置也可以用來(lái)演示化學(xué)課中的氫氣、煤氣、天然氣等爆炸實(shí)驗(yàn),從而體現(xiàn)學(xué)科課程的關(guān)聯(lián)性和跨學(xué)科的綜合性。

(4)實(shí)驗(yàn)用品幾乎都來(lái)自于廢舊物品,培養(yǎng)了學(xué)生勤儉節(jié)約的良好習(xí)慣,增強(qiáng)了學(xué)生 “廢物回收再利用”的意識(shí),有利于落實(shí)立德樹(shù)人的教學(xué)目標(biāo)。