利用傳感器對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

周文榮 倪志鳳

摘要：以教材中粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置為模型，分析了教材裝置的地位和不足，調(diào)研并梳理了一線教師對此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方向，找到了選擇透明可重復(fù)使用的反應(yīng)容器、容器外噴灑粉塵、數(shù)字技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的空間。在此基礎(chǔ)上，介紹了利用傳感器對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作安全、定量分析、器外揚(yáng)塵、點(diǎn)火方式、密封方式等方面分析了裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，旨在推動(dòng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的實(shí)踐與探索。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸;傳感器;壓力噴壺;有機(jī)玻璃;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1008-0546（2020）03-0089-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.025

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)是滬教版教材九年級化學(xué)（教育部2012年審定）第四章第一節(jié)《完全燃燒與不完全燃燒》中的學(xué)習(xí)內(nèi)容，教材設(shè)置的學(xué)習(xí)要求是“觀察與思考”。因此，成功的實(shí)驗(yàn)演示、明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是學(xué)生分析與思考的關(guān)鍵。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的緣起

1.教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

教材中粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1）[1]一方面能很好地幫助學(xué)生認(rèn)識爆炸現(xiàn)象、體悟爆炸原理;另一方面從容器的密封、空氣的鼓人、點(diǎn)火的方式等角度為一線教師設(shè)計(jì)和改進(jìn)粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)建構(gòu)了一個(gè)可供復(fù)制仿效、拓展研究的裝置模型。

在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，圖1裝置對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和爆炸本質(zhì)的理解還有一些可以進(jìn)一步思考和改進(jìn)之處：

（1）面粉覆蓋了進(jìn)氣孔，使得吹人空氣較困難，同時(shí)吹出的面粉分散不充分，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒有預(yù)期的那種震撼，難以給學(xué)生留下深刻的印象。

（2）蠟燭固定較困難，位置偏塑料瓶壁，易使塑料瓶變形，不宜于重復(fù)使用。同時(shí)，蠟燭火焰較高，吹人空氣的速度和力度不夠時(shí)，面粉難以與火焰接觸，降低了實(shí)驗(yàn)的成功率。

（3）實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不能定量感知到面粉發(fā)生爆炸時(shí)密閉容器內(nèi)溫度和氣壓發(fā)生的變化情況，難以真正認(rèn)識面粉發(fā)生爆炸的本質(zhì)原因。

2.一線教師對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的文獻(xiàn)調(diào)研與綜述

為了更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示的最佳效果，促進(jìn)學(xué)生對爆炸現(xiàn)象和原理的深刻認(rèn)識，一線教師對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)進(jìn)行了深入而又細(xì)致的研究與實(shí)踐。具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）反應(yīng)容器的改進(jìn)

反應(yīng)容器的改進(jìn)一是使用色拉油瓶、礦泉水瓶、可樂雪碧瓶等透明的塑料瓶（如圖）[2]、圖3[3]裝置），優(yōu)點(diǎn)是取材容易、便于觀察;二是使用油漆桶、易拉罐、奶粉桶、茶葉桶等金屬罐，優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)使用、耐高溫。

（2）點(diǎn)火方式的改進(jìn)

點(diǎn)火方式的改進(jìn)主要集中在由原來的密封前點(diǎn)火改為密封后點(diǎn)火，常見的改進(jìn)方式有使用電子點(diǎn)火槍（見圖2）[4]、打火機(jī)（見圖4）[5]、接電源的電阻絲（見圖5）[6]以及電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器[7]等。

（3）揚(yáng)塵方式的改進(jìn)

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的揚(yáng)塵方式大多采用的是鼓氣揚(yáng)塵，一線教師的改進(jìn)主要集中在對鼓氣裝置的改進(jìn)。常見的方式是在反應(yīng)容器和放粉塵器皿的側(cè)面或底部開孔，用乳膠管連接后通過針筒（見圖6）[8]、洗耳球（見圖5）[9]、玩具電風(fēng)扇（見圖4）[10]、打氣筒（見圖3）[11]腳踩充氣筒[12]等工具鼓人空氣。

（4）密封方式的改進(jìn)

容器密封的吻合程度決定著實(shí)驗(yàn)的效果，常見的密封方式有蓋式和塞式兩種。教師的改進(jìn)主要是更換蓋式密封時(shí)覆蓋的材料，常見的是將教材裝置圖中的硬紙板換成A4紙（見圖5）[13]、橡膠皮（見圖4）[14]、塑料等，個(gè)別教師還將覆蓋物的位置由容器的頂部改到側(cè)面（見圖3）[15]。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的發(fā)展空間

一線教師的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)豐富了教材中粉塵爆炸裝置模型的形式和內(nèi)涵，提供了可供仿效和借鑒的生動(dòng)實(shí)例，拓展了師生的視野。同時(shí)，也給實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步改進(jìn)留下了一定的空間。

（1）透明的塑料瓶作為反應(yīng)容器主要缺點(diǎn)是不耐高溫，金屬罐作為反應(yīng)容器主要缺點(diǎn)是加工困難且不透明，不便觀察現(xiàn)象。選擇透明、耐高溫、可重復(fù)使用的反應(yīng)容器是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方向。

（2）大部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)采用的是容器內(nèi)鼓氣揚(yáng)塵，事先要在大容器內(nèi)的小容器里放粉塵，操作不方便，鼓氣后粉塵在容器內(nèi)彌散空間不充分，分布不均勻?？紤]從容器外噴灑粉塵是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路。

（3）已有的研究主要集中在儀器的選擇和裝置的改進(jìn)上，數(shù)字技術(shù)在該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中應(yīng)用較少。隨著技術(shù)的發(fā)展，嘗試將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過數(shù)據(jù)和曲線的變化來理解爆炸的本質(zhì)可以成為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的視角。

二、利用傳感器對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：自制透明的有機(jī)玻璃容器、橡皮塞、細(xì)線、壓力噴壺、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、酒精燈、鑷子、火柴。

實(shí)驗(yàn)藥品：玉米淀粉、棉花、酒精。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

利用傳感器對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)的裝置見圖7。

3.操作要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)1

（1）將玉米淀粉在陽光下曬干或在烘箱里烘干后裝入壓力噴壺的噴槍中（干燥的主要目的是防止結(jié)塊，使淀粉容易在空氣中分散均勻）。

（2）按圖7所示連接好裝置，在有機(jī)玻璃容器與傳感器、壓力噴壺的噴槍連接處用熱熔膠密封，保證容器的氣密性良好。

（3）按壓壓力噴壺上端的打氣按鈕，給壓力噴壺內(nèi)充滿空氣，保證有足夠的壓強(qiáng)將面粉噴灑出去。

（4）設(shè)置基于時(shí)間的采集數(shù)據(jù)模式，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，點(diǎn)燃蘸有酒精的棉花團(tuán)，放人容器內(nèi)，迅速塞好橡皮塞。

（5）按壓壓力噴壺的噴射按鈕向容器內(nèi)噴入玉米淀粉。

實(shí)驗(yàn)2

壓力噴壺的噴槍中不裝入玉米淀粉，取等量的酒精重復(fù)實(shí)驗(yàn)1的（2）一（5）操作步驟，僅噴人空氣做對照實(shí)驗(yàn)。

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)1可以看到粉塵迅速燃燒，形成火團(tuán)，容器上的橡皮塞被直線彈出，有部分火苗竄出容器孑L，同時(shí)可以聽到巨大的爆炸聲，溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)2溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)1粉塵的爆炸，從圖8可以看出，溫度從150C逐漸升高到39℃，粉塵爆炸時(shí)壓強(qiáng)迅速增大到128kpa，最后由于橡皮塞彈出壓強(qiáng)恢復(fù)為大氣壓。實(shí)驗(yàn)2僅有酒精的燃燒，從圖9可以看出，溫度從15℃逐漸升高到28℃，由于空氣的噴人，壓強(qiáng)增大到116kpa，隨著氧氣的消耗壓強(qiáng)又逐漸減小，又因?yàn)闇囟冗€在升高，壓強(qiáng)又逐漸增大，最后趨于不變。通過圖8和圖9溫度變化和壓強(qiáng)變化的比較可以看出，在密閉空間里，粉塵的急劇燃燒使得短時(shí)間內(nèi)聚集大量的熱能，氣體迅速膨脹，引起爆炸。

5.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)分析

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象震撼，操作安全可靠

實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)容器使用的是容器壁厚度6mm，容器蓋和容器底部厚度lOmm高透明聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱有機(jī)玻璃）材料制作的，透光性較好，透光率可達(dá)到96%，爆炸時(shí)可以清楚地看到熊熊燃燒的火團(tuán)，再輔以迅速彈出的橡皮塞和聽到的爆炸聲，實(shí)驗(yàn)效果非常震撼。

有機(jī)玻璃的耐沖擊性是普通玻璃產(chǎn)品的200倍以上，本實(shí)驗(yàn)爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量和壓強(qiáng)不會(huì)使有機(jī)玻璃破裂，實(shí)驗(yàn)比較安全且容器可反復(fù)使用。另外，發(fā)生爆炸時(shí)橡皮塞會(huì)垂直向上往空中彈出，不會(huì)對周圍的教師和學(xué)生造成傷害，比較安全。為進(jìn)一步保證橡皮塞不彈到其他地方，還可在橡皮塞上拴一根細(xì)線，實(shí)驗(yàn)時(shí)另一端固定實(shí)驗(yàn)桌或反應(yīng)容器上。

（2）定量對比分析，體現(xiàn)爆炸本質(zhì)

實(shí)驗(yàn)利用傳感器采集數(shù)據(jù)繪制曲線，讓學(xué)生能直觀地觀察到爆炸過程中容器內(nèi)部壓強(qiáng)和溫度的變化情況，讓學(xué)生體悟和理解了化學(xué)圖像的動(dòng)態(tài)形成過程，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代。同時(shí)，通過與僅燃燒酒精對照實(shí)驗(yàn)的比較分析，跳出簡單的老師講解或機(jī)械的課本閱讀，從定量的角度讓學(xué)生真切地感受到溫度和壓強(qiáng)的急劇變化，從而真正理解爆炸的本質(zhì)。

（3）器外噴灑揚(yáng)塵，混合均勻充分

實(shí)驗(yàn)利用壓力噴壺從容器外進(jìn)行噴灑揚(yáng)塵，減少了傳統(tǒng)的在大容器里安放裝粉塵的小器皿，實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作簡便。使用的玉米淀粉的顆粒比常見的面粉、生粉等粉塵的顆粒更細(xì)小，通過壓力噴壺將玉米淀粉以霧狀形式噴出，懸浮在空氣中，與空氣混合較均勻，增大了在密閉空間內(nèi)粉塵的濃度，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

（4）點(diǎn)火簡單易行，密封效果明顯

密封后點(diǎn)火的點(diǎn)火裝置制作比較復(fù)雜，而且高壓產(chǎn)生的電火花相對不安全[16]。本實(shí)驗(yàn)采用了密封前點(diǎn)火，即先點(diǎn)火，再密封、揚(yáng)塵，點(diǎn)火方式簡單易行。實(shí)驗(yàn)的火源將教材中的蠟燭改成了酒精，因?yàn)榫凭暮剂啃∮谙灎T，相同時(shí)間內(nèi)消耗的氧氣少，燃燒的時(shí)間長，實(shí)驗(yàn)操作者有足夠的時(shí)間在火焰熄滅之前進(jìn)行噴灑粉塵。

實(shí)驗(yàn)采用了橡皮塞密封容器，橡膠的彈性使得容器與橡皮塞吻合度較好，不會(huì)因?yàn)楣娜丝諝鈺r(shí)被掀起，同時(shí)，塞式密封使爆炸時(shí)氣體在出口處集聚，使橡皮塞彈射更高，實(shí)驗(yàn)效果明顯。

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