“點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探索

廣東高州中學(xué)初中校區(qū)（525200）黃小玲 吳宇

“點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙”實(shí)驗(yàn)是人教版化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第一單元課題2“對(duì)蠟燭及其燃燒的探究”系列實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。如圖1 所示，教材通過設(shè)計(jì)用嘴吹滅蠟燭，使之產(chǎn)生白煙，然后用火柴點(diǎn)燃白煙，白煙燃燒，從而向?qū)W生證明該白煙是石蠟蒸汽。

圖1

該內(nèi)容是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）》一級(jí)主題“科學(xué)探究”中二級(jí)主題“增進(jìn)對(duì)科學(xué)探究的理解”的情景素材［1］，從蠟燭燃燒這一生活常見現(xiàn)象出發(fā)，通過證明蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙具有可燃性，得出白煙的主要成分是石蠟蒸汽的結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)探究過程落實(shí)了三維教學(xué)目標(biāo)，契合了課程標(biāo)準(zhǔn)提倡的教學(xué)理念。

但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)踐中按照教材介紹的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在一些操作上的問題：1.蠟燭熄滅后產(chǎn)生的白煙量比較少，不足以點(diǎn)燃。2.吹蠟燭時(shí)，由于溫度下降，石蠟難以氣化，不容易繼續(xù)形成白煙。3.吹滅蠟燭時(shí)，在人為或自然氣流的作用下，白煙容易被吹偏或消散較快，難以被準(zhǔn)確點(diǎn)燃。4.在實(shí)驗(yàn)操作中，在離棉芯稍遠(yuǎn)處點(diǎn)火，會(huì)因?yàn)榘谉熈可俣y以點(diǎn)燃，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗；在離棉芯稍近處點(diǎn)火時(shí)，不免有直接點(diǎn)燃棉芯的嫌疑，從而降低實(shí)驗(yàn)的說服力。5.基于白煙的不確定性，該實(shí)驗(yàn)對(duì)操作者的操作熟練程度和實(shí)驗(yàn)條件有較高要求，人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大。這一系列問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在一些不穩(wěn)定因素，使得實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論不夠嚴(yán)謹(jǐn)，缺乏說服力。

為了解決上述問題，眾多學(xué)者對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不斷探索，以期獲得持續(xù)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果。鄧?yán)^紅等人摸索出了隔空點(diǎn)燃蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙的最佳實(shí)驗(yàn)條件，即選擇粗棉芯蠟燭，先讓蠟燭燃燒1min 以上，再用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，接著用頸短腹大的漏斗導(dǎo)出白煙，并與多個(gè)對(duì)照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較而獲得令人信服的結(jié)果。但該實(shí)驗(yàn)容易受到棉芯粗細(xì)、蠟燭燃燒時(shí)間、熄滅蠟燭的方式、采集白煙的漏斗的形狀等因素的影響，對(duì)蠟燭和漏斗的選擇也比較嚴(yán)格，無(wú)法確保實(shí)驗(yàn)的普遍性［2］。曾小英等人利用燒瓶收集蠟燭熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙以供點(diǎn)燃（如圖2），雖然操作簡(jiǎn)單，但受到燒瓶頸部大小的影響，難以確保白煙大量收集，而且需要手持燒瓶進(jìn)行操作，容易燙傷實(shí)驗(yàn)者。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)要求提前在燒瓶?jī)?nèi)部收集盡可能多的白煙，對(duì)蠟燭的消耗量較大［3］。王儀輝利用粉筆和石蠟自制大型蠟燭，產(chǎn)生足量白煙以便于點(diǎn)燃，效果較好，但對(duì)蠟燭的消耗量也很大，并受鐵絲網(wǎng)與粉筆燈芯距離的影響，燃燒持續(xù)現(xiàn)象不明顯［4］。鞠東勝等人用干燥管、大試管、曲管、直角導(dǎo)管等收集白煙并點(diǎn)燃。雖然操作簡(jiǎn)單易行，但該實(shí)驗(yàn)未能增大白煙的形成量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，而且該實(shí)驗(yàn)要求使用的白煙聚集器口徑與火焰寬度相比不宜過大或過小，器材離蠟燭棉芯距離過大或過小均不利于白煙的形成和導(dǎo)出，這些因素均對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大［5］。閆秋艷用鐵絲繞成螺旋狀罩住蠟燭火焰，用嘴吹滅蠟燭，再點(diǎn)燃產(chǎn)生的白煙（如圖3）。該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、有趣，但實(shí)驗(yàn)效果受人為因素影響較大，無(wú)法體現(xiàn)科學(xué)客觀性［6］。鄭杏珍等人用玻璃漏斗收集白煙引流以點(diǎn)燃，但由于玻璃儀器壁薄易碎，受熱易爆裂，且表面光滑易脫落難以固定，需要手持操作，多次實(shí)驗(yàn)后易高溫燙手，這都增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不穩(wěn)定性、人為影響因素及安全隱患；而且用玻璃漏斗罩住燃著的蠟燭時(shí)，石蠟燃燒不充分，易產(chǎn)生大量黑煙，影響實(shí)驗(yàn)效果（如圖4）；如果用燈帽蓋滅燃著的蠟燭，再迅速用倒置的玻璃漏斗企圖引流白煙以在管口處點(diǎn)燃，會(huì)發(fā)現(xiàn)因白煙量過少而難以點(diǎn)燃［7］。

圖2

圖3

圖4

為了避免實(shí)驗(yàn)的不確定性，減少主觀因素的影響，客觀地反映事物真實(shí)的本原，筆者也對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索和改進(jìn)，并獲得了穩(wěn)定、客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、實(shí)驗(yàn)材料

酒精燈陶瓷燈芯管，帶鐵夾的鐵架臺(tái)，蠟燭。（如圖5）

圖5

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

1.將酒精燈的陶瓷燈芯管取下，遠(yuǎn)離明火，讓黏附在燈芯管表面的酒精在室溫下完全揮發(fā)或用干燥濾紙擦干。

2.待陶瓷燈芯管表面的酒精完全揮發(fā)后，將陶瓷燈芯管以管頭在上、管體在下的方式，正向固定于鐵架臺(tái)的鐵夾上，使得燈芯管頭卡于鐵夾邊上，燈芯管體置于夾片中，組裝成一套穩(wěn)定輸出型石蠟制煙裝置。

（二）實(shí)驗(yàn)效果

1.點(diǎn)燃蠟燭，根據(jù)蠟燭的高度調(diào)整裝置的高度，使陶瓷燈芯管底部距離蠟燭焰心0.5～1 cm，并使陶瓷燈芯管的小孔正對(duì)蠟燭的火焰，觀察陶瓷燈芯管的上方孔口是否有大量白煙冒出。

2.將紙條等易燃物置于陶瓷燈芯管上方孔口，測(cè)試其能否被點(diǎn)燃，若不能點(diǎn)燃，證明孔口冒出的是白煙，無(wú)火焰躥出。

3.用打火機(jī)或火柴點(diǎn)燃白煙，白煙迅速被點(diǎn)燃，說明白煙具有可燃性；隨著白煙的穩(wěn)定輸出，白煙燃燒現(xiàn)象明顯且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)效果良好（如圖6）。

圖6

三、實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將教材實(shí)驗(yàn)方法和用漏斗收集白煙進(jìn)行點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)方法與本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

（一）教材實(shí)驗(yàn)方法

1.于無(wú)風(fēng)、非對(duì)流實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。

2.調(diào)節(jié)蠟燭棉芯，使其垂直于桌面，固定并點(diǎn)燃蠟燭。

3.為保證蠟燭熄滅后能順利產(chǎn)生白煙，且白煙能聚集上升，采用自上而下的扇滅方式熄滅蠟燭。

4.熄滅蠟燭，白煙升起，實(shí)驗(yàn)者迅速啟動(dòng)打火器對(duì)距離燈芯2 cm處的白煙點(diǎn)火。

（二）漏斗收集白煙進(jìn)行點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)方法

1.于無(wú)風(fēng)、非對(duì)流實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。

2.調(diào)節(jié)蠟燭棉芯，使其垂直于桌面，固定并點(diǎn)燃蠟燭。

3.用酒精燈燈帽蓋滅蠟燭，迅速用倒置的玻璃漏斗罩住蠟燭棉芯。

4.迅速在漏斗管口處點(diǎn)燃白煙。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，三種實(shí)驗(yàn)方法（人教版教材實(shí)驗(yàn)、漏斗收集白煙實(shí)驗(yàn)、本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)）各重復(fù)操作20次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的成功率明顯高于另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，特別是漏斗收集白煙實(shí)驗(yàn)。

（四）實(shí)驗(yàn)原理

陶瓷為固態(tài)，導(dǎo)熱率為1.22 W/m·k，比金屬的導(dǎo)熱率小，相同受熱條件下熱量散失較金屬材料低。酒精燈是實(shí)驗(yàn)室常用的儀器，它的燈芯管是陶瓷材質(zhì)，呈中空柱狀，在其下方燃燒石蠟?zāi)墚a(chǎn)生大量石蠟蒸汽，并經(jīng)中空柱狀陶瓷燈芯管聚集形成柱狀輸出。此過程原理為石蠟受熱汽化成石蠟蒸汽，石蠟蒸汽在上升過程中遇到導(dǎo)熱率較低的中空柱狀陶瓷燈芯管，并仍以蒸汽的形式輸出，從而形成穩(wěn)定的柱狀白煙。

筆者曾使用金屬材料（銅、鐵、鋁）替代陶瓷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)金屬材料組裝的實(shí)驗(yàn)裝置中白煙的輸出量明顯減少，持續(xù)性差，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)點(diǎn)燃的要求。

（五）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)缺點(diǎn)

1.裝置取材方便，制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，耗材少，只需要一個(gè)酒精燈的燈芯管、一個(gè)鐵架臺(tái)和一根蠟燭。

2.現(xiàn)象明顯，成功率高。能穩(wěn)定輸出大量白煙，易于點(diǎn)燃，白煙燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.實(shí)驗(yàn)科學(xué)，客觀性強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的支撐裝置為鐵架臺(tái)，可固定夾持，減少人為操作等因素對(duì)白煙輸出或燃燒的影響；實(shí)驗(yàn)適用性強(qiáng)，受外界因素影響小，成功率高，可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)客觀、有說服力。

4.本實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)有一定的局限性，隨著探究的深入，還可以進(jìn)一步完善。本實(shí)驗(yàn)只探索了陶瓷和金屬兩種材料，但隨著材料學(xué)的發(fā)展，可能會(huì)有更好的材料支持實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。

四、實(shí)驗(yàn)小結(jié)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊€(wěn)定輸出白煙，方便點(diǎn)燃。學(xué)生觀察到白煙能被點(diǎn)燃，火焰隨著裊裊煙柱而舞動(dòng)，體驗(yàn)到了實(shí)驗(yàn)成功的喜悅。此實(shí)驗(yàn)活用了實(shí)驗(yàn)室常見的酒精燈的燈芯管，拓展了常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的使用領(lǐng)域，引發(fā)了學(xué)生對(duì)如何擴(kuò)大常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的用途的思考。穩(wěn)定輸出大量白煙，便于學(xué)生充分觀察石蠟在實(shí)驗(yàn)過程中的固—液—?dú)馊龖B(tài)變化，加深對(duì)物理變化與化學(xué)變化兩者關(guān)系的理解，明白物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的過程中會(huì)同時(shí)發(fā)生物理變化。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的整套裝置由鐵架臺(tái)夾持而成，減少了人為因素的影響，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)客觀，且操作簡(jiǎn)單便捷，實(shí)驗(yàn)生動(dòng)有趣，現(xiàn)象明顯，成功率高，適合教師課堂演示，也可作為學(xué)生的課外實(shí)驗(yàn)。

五、總結(jié)與展望

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，活用酒精燈的陶瓷燈芯管，使得蠟燭穩(wěn)定輸出白煙，便于白煙的點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從化學(xué)的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界，提高學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法分析、解決簡(jiǎn)單問題的能力，使學(xué)生在知識(shí)的形成和應(yīng)用過程中形成科學(xué)態(tài)度，掌握科學(xué)方法，在“做科學(xué)”的探究活動(dòng)中培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，為學(xué)生的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

作為化學(xué)教育工作者，筆者日后將繼續(xù)在學(xué)科教學(xué)工作中開展更多科學(xué)可行、簡(jiǎn)約創(chuàng)新的可視性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在趣味小實(shí)驗(yàn)中掌握物質(zhì)世界的大學(xué)問。