利用遙控器控制粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

劉信友

摘要： 人教版九年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)中的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，裝置簡單易行且成本低，但其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)、實(shí)驗(yàn)成功率不高，推廣受到限制。經(jīng)過多次試驗(yàn)，用遙控器、電機(jī)等器材對(duì)粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞： 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 自制教具

文章編號(hào)： 10056629（2020）05006203

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)”是人教版九年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)第七單元課題1“燃燒與滅火”中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的觀察與操作，可認(rèn)識(shí)粉塵爆炸的條件并形成預(yù)防危害的意識(shí)，從而接受安全與環(huán)保理念教育。從教學(xué)效果上看，教材裝置存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)、成功率不高等問題。為此，我們對(duì)教材裝置進(jìn)行改進(jìn)，自制“利用遙控器控制粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)”裝置，取得了較好的教學(xué)效果。筆者曾以“粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)”為題，在知網(wǎng)上檢索到學(xué)術(shù)論文273篇，諸文中的裝置設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了面粉在密閉的裝置中燃燒發(fā)生爆炸，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。細(xì)細(xì)品味后受益匪淺，感觸頗深。但筆者認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)還有值得研究和改進(jìn)的地方，在此展示一例利用遙控器、電機(jī)等器材控制粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置，與讀者分享。

1 教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖1中Ⅰ所示，剪去空金屬罐和小塑料瓶的上部，并在金屬罐和小塑料瓶的底側(cè)各打1個(gè)比橡皮管外徑略小的小孔。連接好裝置，在小塑料瓶中放入面粉，點(diǎn)燃蠟燭，用塑料蓋蓋住金屬罐，如圖1中Ⅱ所示。從橡皮管一端鼓入大量空氣，使面粉充滿金屬罐，觀察現(xiàn)象并分析原因[1]。

按照這種要求制備成的裝置，演示成功率低，因此該實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中，我市鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)大多數(shù)教師采取了只講不做的方式，或者在網(wǎng)上尋找改進(jìn)后的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)視頻來代替實(shí)驗(yàn)。

2 “粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置”部分研究成果

2.1 近5年的部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)評(píng)述

學(xué)界認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)的成功關(guān)鍵因素有5點(diǎn)： 裝置的材質(zhì)硬度、裝置密封，粉塵、空氣的比例和鼓氣的時(shí)間。每一環(huán)節(jié)都有相對(duì)嚴(yán)格的要求，操作不當(dāng)，可能會(huì)釀成教學(xué)事故，造成極壞的影響。針對(duì)2014年7月至2018年9月的部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，分別就粉塵、火源、反應(yīng)器和反應(yīng)器材料4個(gè)方面對(duì)“粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)作簡要評(píng)析。

萬莉等[2]巧用奶粉筒的蓋子為塑料蓋，正方形鐵絲網(wǎng)放在最下面，將蠟燭放于金屬筒底正中央，點(diǎn)燃蠟燭后迅速蓋上裝好面粉的塑料蓋，再迅速用一只手拍蓋子，爆炸聲音響亮，現(xiàn)象明顯且過程安全。這種改進(jìn)簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，不需要另外再鼓入空氣，使實(shí)驗(yàn)操作更簡單，與教材的裝置相比較，成功率高。

徐康等[3]利用餅干盒（金屬材質(zhì)）和橡膠管連接設(shè)計(jì)“粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置”。該裝置為鐵皮制品，不易燃，韌性強(qiáng)，安全性高，且容積遠(yuǎn)大于普通塑料瓶，粉塵量大，爆炸效果明顯，視覺沖擊力強(qiáng)，爆炸瞬間沖起的火焰使學(xué)生印象深刻，讓學(xué)生更加深刻地理解粉塵爆炸的原理，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

王發(fā)應(yīng)等[4]利用玩具風(fēng)扇對(duì)裝置內(nèi)進(jìn)行鼓氣，可在裝置中形成連續(xù)、均勻的粉塵，點(diǎn)火后可獲得很好的實(shí)驗(yàn)效果。爆炸后半固定的汽車輪胎橡膠皮又能自動(dòng)復(fù)位，重新封閉塑料筒，簡化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了原實(shí)驗(yàn)中硬紙板亂飛、粉塵到處飛濺造成的困擾。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)封閉的效果，使爆炸實(shí)驗(yàn)安全可靠地進(jìn)行。

喬金鎖[5]用透明塑料食用油壺代替金屬罐做反應(yīng)器，不僅避免實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，而且可以清晰地看到，隨著輕輕鼓氣粉塵向上移動(dòng)、蠟燭燃燒及粉塵燃爆的情況，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)粉塵爆炸原理的認(rèn)識(shí)，深刻理解面粉廠、淀粉廠要避免明火和火星的緣由。用食用淀粉做粉塵，顆粒直徑比面粉小，更容易燃爆，值得借鑒。用漏斗形容器替代桶形容器盛放粉塵，并向上鼓氣，便于粉塵沿漏斗壁向上作霧狀運(yùn)動(dòng)，有利于粉塵與空氣混合均勻，燃爆現(xiàn)象明顯，成功率高。

朱清勇等[6]利用生活中常見器材點(diǎn)火槍和用550mL塑料礦泉水瓶代替食用油桶、化學(xué)純可溶性淀粉代替普通面粉，設(shè)計(jì)兩種簡約化的改進(jìn)裝置（初級(jí)版和加強(qiáng)版）。通過教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，改進(jìn)后的裝置實(shí)驗(yàn)效果顯著。教師加強(qiáng)版實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，只需3分鐘即可完成，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)5分鐘內(nèi)也可以完成，培養(yǎng)了學(xué)生在生活中防范可燃性粉塵和可燃性氣體的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。

2.2 反思和體會(huì)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新的最終目的是服務(wù)于教學(xué)，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，讓學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)、用腦子思考、去探究為什么。作為農(nóng)村基層一線的化學(xué)教師需要不斷地修煉和提升自己，不僅要?jiǎng)?chuàng)造條件使學(xué)生親歷化學(xué)實(shí)驗(yàn)，更要改進(jìn)和創(chuàng)新帶有趣味性的生活化、簡約化實(shí)驗(yàn)。唯有不斷地研究、創(chuàng)新和改進(jìn)，不斷地嘗試、失敗、再嘗試，方能達(dá)到成功的彼岸。通過實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新點(diǎn)亮學(xué)生的心燈，讓學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地喜歡化學(xué)[7]。

3 新設(shè)計(jì)裝置

新設(shè)計(jì)裝置如圖2所示。

4 裝置的制作

4.1 制作材料

電源1個(gè)（4.5V）、遙控器（玩具小車的）1個(gè)、電機(jī)（玩具小車的）1個(gè)（4.5V）、導(dǎo)線2根、塑料刷1把、礦泉水瓶嘴（帶瓶蓋配套）2個(gè)、不銹鋼管1個(gè)（Ф139mm×40mm）、底座（170mm×170mm）、硬質(zhì)透明塑料桶1個(gè)[（h=220mm）上底（Ф170mm）下底（Ф140mm）]、電池3節(jié)（1.5V×3=4.5V）、帶蓋網(wǎng)狀塑料盒1個(gè)（Ф80mm×90mm）、蠟燭1根、天然氣噴火槍1支

4.2 制作方法

4.2.1 底座的制作

首先取一塊厚度為1mm不銹鋼片，加工成長、寬分別為170mm的正方形鋼片，再切取一段厚度為2mm的不銹鋼管（Ф139mm、高40mm），在車床上把不銹鋼管一端（高5mm）的內(nèi)徑打磨為Ф140mm、高10mm，將不銹鋼管另一端用氧焊焊接到上述正方形鋼片中間，用砂輪把焊接點(diǎn)打磨光滑即可（如圖3所示）。

4.2.2 硬質(zhì)塑料桶的加工

首先取高為220mm、上底（Ф170mm）、下底（Ф140mm）的硬質(zhì)透明塑料桶1個(gè)，在塑料桶左側(cè)正中間打橢圓形孔1個(gè)（Ф70mm×50mm）;塑料桶下底正中間鉆孔1個(gè)（Ф15mm），用502膠水把切取好的礦泉水瓶瓶嘴（帶螺紋）粘在開孔處，待粘牢固后，用瓶蓋擰緊（此處按放蠟燭）;在塑料桶的右側(cè)距底面40mm處打一小孔（Ф5mm），用502膠水把切取好的礦泉水瓶瓶嘴（帶螺紋）粘在小孔處，待粘牢固后，用瓶蓋擰緊;再取下塑料桶的蓋，把網(wǎng)狀塑料盒蓋（Ф80mm）用螺紋釘固定在塑料桶蓋的正中間（此時(shí)網(wǎng)狀塑料盒可通過旋轉(zhuǎn)擰緊方式固定在塑料桶蓋上）;最后在塑料桶蓋上打孔（Ф16mm），插入電機(jī)（電機(jī)下端轉(zhuǎn)軸連接一個(gè)自制塑料刷），用502膠水將其縫隙密封，電機(jī)上方的正負(fù)極分別連接直流電源的正負(fù)極（如圖2所示）。

4.2.3 點(diǎn)火系統(tǒng)的裝配

將天然氣噴火槍從右側(cè)小孔處插入塑料桶內(nèi)，與蠟燭棉線接近，按下天然氣噴火槍開關(guān)，可立即點(diǎn)燃蠟燭，迅速移開天然氣噴火槍，用礦泉水瓶蓋將粘在孔上的瓶嘴擰緊，使塑料桶內(nèi)處于密閉狀態(tài)。

4.2.4 裝置的組裝及完善

將加工好的硬質(zhì)透明塑料桶放入底座上的不銹鋼管中，在連接電機(jī)的電池盒內(nèi)裝入3節(jié)1.5V的電池，向透明塑料桶蓋上的網(wǎng)狀塑料盒中加入20g面粉;用信箋紙（剪成Ф72mm×52mm）把左側(cè)的孔遮封，并用漿糊粘緊;右側(cè)小孔處安裝天然氣噴火槍。至此裝置組裝完畢（如圖2所示）。

5 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)

首先將加工好的塑料桶放入底座上（見圖3），使其穩(wěn)定。打開塑料桶上方的蓋，向與桶蓋下方連接的塑料盒內(nèi)加入約20g干燥的面粉，使其平鋪在盒底上，蓋緊桶蓋;再按下塑料桶右下方天然氣噴火槍開關(guān)進(jìn)行點(diǎn)火，蠟燭燃燒后迅速移開噴火槍并封住孔;最后迅速打開直流電源開關(guān)，手拿遙控器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)塑料刷轉(zhuǎn)動(dòng)，只需幾秒鐘，在塑料桶內(nèi)就會(huì)形成濃度均勻、穩(wěn)定的粉塵，隨即就會(huì)產(chǎn)生響亮的爆炸聲和明亮的火光，塑料桶左側(cè)橢圓形孔上粘貼的信箋紙被炸開，蠟燭火焰被震滅。

6 小結(jié)

利用遙控器控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)塑料刷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得塑料桶內(nèi)形成分布均勻、濃度穩(wěn)定的粉塵，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

（1） 利用遙控器在距塑料桶2米的地方操控面粉粉塵的爆炸，為實(shí)驗(yàn)的成功和安全提供了保障。

（2） 利用不銹鋼底座固定硬質(zhì)塑料桶組裝的密封裝置，

加上桶左側(cè)圓形孔上粘貼的信箋紙的緩沖作用，

避免了原實(shí)驗(yàn)中硬紙板亂飛、粉塵到處飛濺造成的困擾，使爆炸實(shí)驗(yàn)安全可靠地進(jìn)行。

（3） 材料易得，容易加工，制作簡單，成本低廉，容易推廣。

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